DE102022213882A1 - Verfahren zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Michael Giuseppe Marino
Jochen Wessner
Christophe Gerling
Ulrich Berner
Juergen Hackenberg
Ulrich Sauter
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1), bevorzugt eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei während eines Betriebs des Brennstoffzellenaggregats (1) ein Feuchtegütemaß des Brennstoffzellenstapels (10) ermittelt wird, welches einen Trocknungsgrad wenigstens eines Bereichs des Brennstoffzellenstapels (10) repräsentiert, und anhand dieses Feuchtegütemaßes entschieden wird, inwieweit die Wiederbefeuchtungsmaßnahme des wenigstens einen, zu trockenen Bereichs des Brennstoffzellenstapels (10) durchgeführt werden soll und/oder durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats, bevorzugt eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • In einer Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats (stationär oder mobil) z. B. eines Brennstoffzellensystems bspw. eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfolgt eine elektrochemische Wandlung zweier Reaktanten zweier Betriebsmedien in elektrische Energie und Wärme. Hierbei umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA: Membrane Electrode Assembly). In der Regel ist die Brennstoffzelle mit einer Vielzahl von in einem Stapel angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten und dazwischen angeordneter Bipolarplatten ausgebildet (Brennstoffzellenstapel bzw. Stack mit einer Mehrzahl von Einzel-Brennstoffzellen).
  • Aufgabenstellung
  • Brennstoffzellenstapel sollten feucht bis so feucht wie möglich betrieben werden, um deren ohmsche Widerstände zu reduzieren, allerdings nicht derart nass, dass sie partiell fluten. Aus manchen Betriebszuständen eines Brennstoffzellenstapels, zu hoher Temperatur, Überlast, Umweltbedingungen, mit vergehender Zeit und/oder aufgrund einer langen Stillstandsphase etc. eines Brennstoffzellenaggregats kann es vorkommen, dass der Brennstoffzellenstapel zu trocken ist und seine Effizienz dadurch reduziert ist. Zu trockene Brennstoffzellenstapel können zu irreversibler Degradation seiner Membran-Elektroden-Einheiten führen. - Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Wiederbefeuchten eines Brennstoffzellenstapels anzugeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellenaggregats, bevorzugt eines Brennstoffzellenfahrzeugs; sowie mittels eines Brennstoffzellenaggregats, eines Brennstoffzellensystems oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs gelöst. - Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt während eines Betriebs des Brennstoffzellenaggregats ein Feuchtegütemaß des Brennstoffzellenstapels ermittelt, welches einen Trocknungsgrad wenigstens eines Bereichs des Brennstoffzellenstapels repräsentiert, wobei anhand dieses Feuchtegütemaßes entschieden wird, inwieweit die Wiederbefeuchtungsmaßnahme des wenigstens einen, zu trockenen Bereichs des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden soll und/oder durchgeführt wird.
  • Durch das Feuchtegütemaß kann eine Notwendigkeit einer Wiederbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels einfach und zuverlässig detektiert und durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich eine höhere Effizienz (Leistungsfähigkeit, Lebensdauer etc.) des Brennstoffzellenstapels, ein niedrigerer Wasserstoff-Verbrauch, eine geringere Wärmeentwicklung etc. Ferner können trockenen bzw. zu trockenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels entgegengewirkt werden.
  • Das Feuchtegütemaß kann aus einem elektrischen Hochfrequenzwiderstand wenigstens eines Abschnitts des Brennstoffzellenstapels, durch ein Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters, insbesondere einer Zellspannung, des Brennstoffzellenstapels oder des Brennstoffzellenaggregats, und/oder durch einen Vergleich wenigstens einer Zellspannung des Brennstoffzellenstapels mit einer hinterlegten Zellspannung ermittelt werden.
  • Prinzipiell kann der Hochfrequenzwiderstand, die Zellspannung und/oder der bzw. die Betriebsparameter z. B. gemessen (bevorzugt), detektiert, sensiert, diagnostiziert (Kl: Künstliche Intelligenz) und/oder oder durch ein Modell (physikalisch, Kl- oder hybridbasiert) bestimmt werden. Dabei soll der Begriff Zellspannung nicht nur eine Zellspannung einer Einzelzelle, sondern auch die elektrische (Zell-)Spannung einer Mehrzahl, einer Vielzahl oder von allen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels mitumfassen. - Der Abschnitt des Brennstoffzellenstapels kann dabei eine einzige, eine Mehrzahl, eine Vielzahl oder sämtliche Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels umfassen. Dies gilt analog für die Zellspannung und/oder den wenigstens einen (anderen) Betriebsparameter des Brennstoffzellenaggregats bzw. des Brennstoffzellenstapels.
  • Der Hochfrequenzwiderstand, die Zellspannung und/oder der Betriebsparameter kann jeweils als ein singulärer, periodischer, diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Wert, als eine Ableitung und/oder als ein Integral zum Ermitteln in das Feuchtegütemaß einfließen. Geht der Hochfrequenzwiderstand, die Zellspannung und/oder der Betriebsparameter als eine Ableitung ein, so kann dies eine erste und/oder auch eine Ableitung höherer Ordnung sein. Das ist ggf. auf ein Integral übertragbar.
  • Der Betriebsparameter kann einer eines Brennstoffzellensystems, des Brennstoffzellenaggregats, des Brennstoffzellenstapels, einer Anodenversorgung, einer Kathodenversorgung, eines Feuchteübertragers und/oder einer Kühlmediumversorgung (Kühlmitteltemperatur) sein. - Ein Betriebsparameter kann z. B. eine elektrische Spannung, ein elektrischer Strom, eine elektrische Stromdichte, ein Verhältnis von Spannung zu Strom etc. des Brennstoffzellenstapels, insbesondere des wenigstens einen Abschnitts des Brennstoffzellenstapels, sein. Ferner kann ein Betriebsparameter ein Gasdruck, ein Gasvolumenfluss, eine Gasfeuchte, eine Stöchiometrie, ein Massenstrom und/oder eine Temperatur etc. anodenseitig und/oder kathodenseitig des Brennstoffzellenstapels sein.
  • Darüber hinaus ist es möglich, einen Betriebsparameter abseits der Anode und/oder der Kathode anzuwenden, z. B. einen einer Anodenversorgung, einer Kathodenversorgung, des Feuchteübertragers etc. des Brennstoffzellenaggregats. Ferner kann aufgrund einer Triggerung durch eine Systemgröße (z. B. deren Wert) ein Wert des Hochfrequenzwiderstands, der Zellspannung und/oder des Betriebsparameters ermittelt werden. So ist z. B. eine Lastanforderung an das Brennstoffzellenaggregat, eine Leistung des Brennstoffzellenaggregats etc. heranziehbar.
  • Das ermittelte Feuchtegütemaß des Brennstoffzellenstapels kann in einem einfachen Fall aus wenigstens einem einzigen Wert des Hochfrequenzwiderstands, der Zellspannung und/oder des wenigstens Betriebsparameters ermittelt werden. Bevorzugt kommt hierfür jedoch ein diskontinuierlicher oder kontinuierlicher Werteverlauf des Hochfrequenzwiderstands, der Zellspannung und/oder des Betriebsparameters zur Anwendung.
  • Beim Ermitteln des Feuchtegütemaßes kann eine Differenzbildung zweier Werte des Hochfrequenzwiderstands, der Zellspannung und/oder des wenigstens einen Betriebsparameters angewendet werden. So kann die arbiträre oder notwendige Wiederbefeuchtungsmaßnahme bei einem Überschreiten oder einem Unterschreiten eines Differenzlimits wenigstens zweier oder einer Mehrzahl oder Vielzahl aufeinander folgender Messungen bestimmt werden. Natürlich können hierbei auch Trends untersucht und angewendet werden.
  • Zum Ermitteln des Hochfrequenzwiderstands kann auf ein Gleichstromsignal des Brennstoffzellenstapels ein Hochfrequenzsignal aufgeprägt werden (Impedanzspektroskopie), wobei der ermittelte Hochfrequenzwiderstand bevorzugt von einer erzeugenden Quelle und/oder von einer anderen Einrichtung ausgewertet wird. Die aufgeprägten Spannungsamplituden sind bevorzugt kleiner als 100mV, 75mV, 50mV, 40mV, 30mV, 25mV, 20mV, 15mV, 10mV, 7,5mV, 5mV, 2,5mV, 2mV, 1,5mV, 1 mV oder 0,5mV. - Das Aufprägen des Hochfrequenzsignals kann z. B. mittels eines Inverters und/oder eines DC/DC-Wandlers erfolgen, welcher ein Hochfrequenzsignal moduliert.
  • Die Frequenzen des Hochfrequenzsignals liegen dabei in einem Frequenzbereich von bevorzugt größer 1 kHz; insbesondere können Frequenzen von größer als 1,5kHz, 2kHz, 2,5kHz, 5kHz, 7,5kHz, 10kHz, 15kHz, 20kHz, 25kHz, 30kHz, 40kHz, 50kHz oder darüber angewendet werden. Der Inverter und/oder der DC/DC-Wandler (DC: Direct Current, Gleichstrom) kann eine Einheit zur Pulsdauermodulation aufweisen, um auf eine DC-Versorgung das Hochfrequenzsignal aufzuprägen. Hierfür können vorhandene DC-Versorgungsleitungen von einem Inverter und/oder einem DC/DC-Wandler angewendet werden.
  • Zum Erhöhen einer Zuverlässigkeit und/oder einer Genauigkeit z. B. einer Messung kann eine Frequenz der Pulsdauermodulation an einen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels angepasst werden. Dabei kann eine Frequenz gewählt werden, welche wenigstens doppelt so groß ist, wie eine Frequenz einer Störung auf einem Stromsignal (Abtasttheorem von Shannon).
  • Im Feuchtegütemaß kann eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme durch ein Ansteigen eines Hochfrequenzwiderstands und eine fallende Zellspannung während des Betriebs des Brennstoffzellenaggregats repräsentiert sein. Bevorzugt kann ein zu trockener Bereich des Brennstoffzellenstapels im Feuchtegütemaß durch ein Unterschreiten einer Schwelle der Zellspannung und/oder ein Überschreiten einer Schwelle des Hochfrequenzwiderstands bei gegebenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenaggregats repräsentiert sein.
  • Dabei bilden wenigstens der Hochfrequenzwiderstand und die Zellspannung das Feuchtegütemaß. So kann z. B. bei einem Unterschreiten eines bestimmten Feuchtegütemaßes die Wiederbefeuchtungsmaßnahme eingeleitet werden. Die Zellspannung, kann dabei von einer Zellenüberwachung (CVM-System (CVM: Cell Voltage Monitor(ing)), Zellspannungsüberwachung) erhalten werden.
  • Ist ein wenigstens ausreichend feuchter oder im Wesentlichen zielfeuchter Zustand des Brennstoffzellenstapels erreicht, oder hat sich der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels stabilisiert, so kann wieder auf normale Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenaggregats umgeschaltet werden, um eine partielle Flutung des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden. Durch die Hochfrequenzmessung kann ferner ein gewünschter Wassergehalt im Brennstoffzellenstapel ggf. kontinuierlich überwacht und so auf wenigstens gute bis im Wesentlichen optimale Betriebsparameter geregelt und/oder eingesteuert werden.
  • Bei einem Erkennen eines zu trockenen Bereichs des Brennstoffzellenstapels durch das Feuchtegütemaß, ist die Wiederbefeuchtungsmaßnahme für den Brennstoffzellenstapel einleitbar und/oder wird eingeleitet, bzw. ist die Wiederbefeuchtungsmaßnahme angestrebt und/oder wird angestrebt. - Durch die Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann insbesondere ein Gasdruck, ein Gasvolumenfluss, eine Gasfeuchte, eine Stöchiometrie, ein Massenstrom und/oder eine Temperatur an/in einer Anode und/oder an/in einer Kathode des Brennstoffzellenstapels derart einstellbar sein und/oder eingestellt werden, dass der wenigstens eine zu trockene Bereich des Brennstoffzellenstapels wiederbefeuchtbar ist und/oder wiederbefeuchtet wird.
  • Durch die Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann in der Anode und/oder in der Kathode des Brennstoffzellenstapels ein Gasdruck erhöhbar sein und/oder erhöht werden, eine Gasfeuchte erhöhbar sein und/oder erhöht werden, ein elektrischer Strom erhöhbar sein und/oder erhöht werden, ein Gasvolumenfluss reduzierbar sein und/oder reduziert werden, eine Stöchiometrie reduzierbar sein und/oder reduziert werden und/oder eine Temperatur reduzierbar sein und/oder reduziert werden.
  • Durch die Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann ein vom Brennstoffzellenstapel generierter elektrischer Strom aus-/einschaltbar sein und/oder aus/-eingeschaltet werden, oder ein-/ausschaltbar sein und/oder ein-/ausgeschaltet werden. Hierbei das ist es bevorzugt, dass das Aus-/Wiedereinschalten oder das Ein-/Wiederausschalten mehrfach durchführbar ist und/oder durchgeführt wird. Ein Richtwert für eine Anzahl eines Aus-/Wiedereinschaltens bzw. das Ein-/Wiederausschaltens ist ca.: fünf, sieben, zehn, 15 oder ggf. mehr.
  • Anhand des Feuchtegütemaßes kann ein Zeitfenster für die Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Brennstoffzellenstapel bestimmt werden. Dabei kann für das Zeitfenster wenigstens ein zeitlicher Beginn, eine zeitliche Dauer und/oder ein zeitliches Ende bestimmt werden. Dabei kann der Beginn, die Dauer und/oder das Ende des Zeitfensters aus dem Feuchtegütemaß des Brennstoffzellenstapels bestimmt werden.
  • Ferner kann eine Dringlichkeit der Wiederbefeuchtungsmaßnahme berücksichtigt werden. Bei einer hohen Dringlichkeit kann die Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Wesentlichen unmittelbar eingeleitet oder weiter abgearbeitet werden. Bei einer mittleren Dringlichkeit kann die Wiederbefeuchtungsmaßnahme bei einer sich bietenden Gelegenheit eingeleitet oder weiter abgearbeitet werden. Und bei einer niedrigen Dringlichkeit kann die Wiederbefeuchtungsmaßnahme bei einem Abstellvorgang oder in einer Stillstandsphase des Brennstoffzellenaggregats eingeleitet oder weiter abgearbeitet werden.
  • Ein Einleiten der Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann dabei das Ausleiten einer anderen Maßnahme, eines anderen Verfahrens etc. im Brennstoffzellenaggregat und/oder im Brennstoffzellenstapel beinhalten (Überblendung, Crossfade). Natürlich kann das Einleiten der Wiederbefeuchtungsmaßnahme auch erst dann stattfinden, wenn die andere Maßnahme im Wesentlichen vollständig ausgeleitet oder beendet ist.
  • Das Durchführen der Wiederbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels kann überwacht erfolgen. Hierbei kann bei einem Vorliegen von aktuell ungünstigen Bedingungen für die Wiederbefeuchtung, das Durchführen der Wiederbefeuchtung abgebrochen, unterbrochen oder mit veränderten Parametern weiter durchgeführt werden. - D. h. das Verfahren zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann ggf. mehrfach unterbrochen und zeitweise bis zum Beenden abgearbeitet werden.
  • Ferner kann das Feuchtegütemaß bei einem Abstellen, während einer Stillstandphase und/oder bei einem Starten des Brennstoffzellenaggregats ermittelt werden. Das Verfahren kann durch ein Steuergerät für den Brennstoffzellenstapel durchführbar sein und/oder durchgeführt werden. Hierbei kann das Steuergerät als ein Steuergerät für das Brennstoffzellenaggregat bzw. ein Steuergerät des Brennstoffzellenaggregats ausgebildet sein. Das Verfahren kann durch eine externe Steuerroutine (drahtloses (Computer-)Netzwerk) online durchführbar sein und/oder durchgeführt werden. Und das Verfahren kann während eines Betriebs, eines Abstellvorgangs und/oder einer Stillstandphase des Brennstoffzellenaggregats durchführbar sein und/oder durchgeführt werden.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Bei der Erfindung kann ein Merkmal positiv, d. h. vorhanden, oder negativ, d. h. abwesend, ausgestaltet sein. In dieser Spezifikation ist ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert, wenn nicht gemäß der Erfindung Wert daraufgelegt ist, dass es abwesend ist. D. h. die tatsächlich gemachte und nicht eine durch den Stand der Technik konstruierte Erfindung darin besteht, dieses Merkmal wegzulassen. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal ggf. (Fachmann) optional ist. - In den lediglich beispielhaften Figuren (Fig.) der Zeichnung zeigen:
    • Die 1 in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs,
    • die 2 ein mögliches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels, und
    • die 3 ein beispielhaftes Liniendiagramm für ein Ermitteln eines Feuchtgütemaßes eines Brennstoffzellenstapels sowie ein beispielhaftes Kriterium zum Durchführen der Wiederbefeuchtungsmaßnahme.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Erfindung ist anhand eines Verfahrens 200 - vgl. die 2 - zum Durchführen einer arbiträren oder notwendigen Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 insbesondere für ein Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d. h. eines Kraftfahrzeugs aufweisend eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellensystem, näher erläutert. In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondre kann die Erfindung auch auf ein anderes mobiles oder stationäres Brennstoffzellenaggregat 1 bzw. Brennstoffzellensystem angewendet sein.
  • Die 1 zeigt das Brennstoffzellenaggregat 1 gemäß einer Ausführungsform, mit wenigstens einer, insbesondere einer Vielzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 gebündelten elektrochemischen Einzel-Brennstoffzellen 11 (Einzelzellen 11), die in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht sind. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen als Anodenraum 12 ausgebildeten Elektrodenraum 12 und einen als Kathodenraum 13 ausgebildeten Elektrodenraum 13, die von einer Membran einer Membran-Elektroden-Einheit 15 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind.
  • Zwischen zwei direkt zueinander benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 15, 15 inkl. eines betreffenden Anodenraums 12 und Kathodenraums 13 istjeweils eine Bipolarplatte 14 angeordnet, welche u. a. einer Hinführung/Abführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen Einzelzellen 11, 11 realisiert. - Die Kathodenräume 13 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Kathode 130 und die Anodenräume 12 und ggf. deren gemeinsamer Zuflussbereich bzw. deren Elektroden bilden dabei eine Anode 140 des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit seinen eigentlichen Betriebsmedien 3 (Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff), 5 (Kathoden-Betriebsmedium, meist Luft) weist das Brennstoffzellenaggregat 1 eine Anodenversorgung 20 und eine Kathodenversorgung 30 auf.
  • Die Anodenversorgung 20 umfasst insbesondere: einen Brennstoffspeicher 23 für das Anoden-Betriebsmedium 3 (hinströmend); einen Anoden-Versorgungspfad 21 mit einem Druckminderer, einem Absperrventil und/oder einem Dosierventil 27 (beispielhaft) und einer Strahlpumpe 24 (Jet-Pump 24, Ejektor 24); einen Anoden-Abgaspfad 22 für ein Anoden-Abgasmedium 4 (abströmend, meist in die Umgebung 2); bevorzugt einen Brennstoff-Rezirkulationspfad 25 mit einer darin befindlichen Fluid-Fördereinrichtung 26; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
  • Die Kathodenversorgung 30 umfasst insbesondere: einen Kathoden-Versorgungspfad 31 für das Kathoden-Betriebsmedium 5 (hinströmend, meist aus der Umgebung 2), mit bevorzugt einer Fluid-Fördereinrichtung 33; einen Kathoden-Abgaspfad 32 für ein Kathoden-Abgasmedium 6 (abströmend, meist in die Umgebung 2), mit bevorzugt einer Turbine 34, insbesondere für die Fluid-Fördereinrichtung 33; bevorzugt einen Feuchteübertrager 36, insbesondere einen Gas-zu-Gas-Befeuchter 36; ggf. einen kathodenseitigen Stapelbypass 35 (Wastegate 35) zwischen dem Kathoden-Versorgungspfad 31 und dem Kathoden-Abgaspfad 22, mit einem Bypassventil 37; ggf. einen Wasserabscheider und ggf. einen Wasserbehälter.
  • Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst ferner insbesondere eine Kühlmediumversorgung 40 eines Thermalsystems insbesondere des Brennstoffzellenfahrzeugs, durch welche hindurch der Brennstoffzellenstapel 10 bevorzugt mittels seiner Bipolarplatten 14 (Kühlmediumpfade 43) in einen Kühlkreislauf wärmeübertragend zum Temperieren einbindbar ist. Die Kühlmediumversorgung 40 umfasst einen Kühlmedium-Zulaufpfad 41 und einen Kühlmedium-Ablaufpfad 42. Eine Förderung des in der Kühlmediumversorgung 40 zirkulierenden Kühlmediums 7 (hinströmend), 8 (abströmend) erfolgt bevorzugt mittels wenigstens einer Kühlmedium-Fördereinrichtung 44.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenaggregat 1 periphere Systemkomponenten, wie z. B. ein Steuergerät 50 (vgl. 2), welches eines des Brennstoffzellenfahrzeugs selbst sein kann.
  • Bei dem beispielhaft vorliegenden Verfahren 200 - 2 - wird von einem Steuergerät 50 eine Messung 210 (Alternativen vgl. oben) wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellenstapels 10, des Brennstoffzellenaggregats 1 bzw. des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Solch ein Betriebsparameter ist insbesondere ein elektrischer Hochfrequenzwiderstand R (vgl. 3), eine Zellspannung U (vgl. 3) und/oder ein anderweitiger Betriebsparameter (vgl. oben).
  • Anhand dieses wenigstens einen Betriebsparameters oder einer Kombination von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels 10, des Brennstoffzellenaggregats 1 und/oder des Brennstoffzellensystems wird ein Feuchtgütemaß des Brennstoffzellenstapels 10 ermittelt. Anhand des Feuchtgütemaßes kann entschieden werden, inwieweit eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme des Brennstoffzellenstapels 10 durchgeführt werden soll und oder durchgeführt wird (vgl. oben).
  • Der Hochfrequenzwiderstand kann an wenigstens einem Abschnitt 100 (vgl. oben) des Brennstoffzellenstapels 10 ermittelt werden. Natürlich kann der Hochfrequenzwiderstand auch anderweitig ermittelt werden (vgl. oben). Analog kann die Zellspannung U ermittelt werden. Der anderweitige Betriebsparameter kann kathodenseitig, brennstoffzellenstapelseitig und oder anodenseitig ermittelt werden. Ferner kann der anderweitige Betriebsparameter brennstoffzellenaggregatseitig, z. B. in der / durch die Kühlmediumversorgung 40 des Thermalsystems, und/oder brennstoffzellensystemseitig ermittelt werden.
  • Aus dem Hochfrequenzwiderstand R, der Zellspannung U und/oder dem anderweitigen Betriebsparameter wird das Feuchtgütemaß des Brennstoffzellenstapels 10 ermittelt. Das Feuchtgütemaß ist dabei derart eingerichtet, dass durch es eine Notwendigkeit einer (arbiträren bis absehbar notwendigen bis im Wesentlichen sofort notwendigen) Wiederbefeuchtungsmaßnahme des Brennstoffzellenstapels 10 bzw. eines Abschnitts 100 davon repräsentiert ist. Hierbei kann das Feuchtgütemaß derart eingerichtet sein, dass ein Zeitfenster (vgl. oben) für die Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Brennstoffzellenstapel 10 bestimmt wird.
  • Anhand des Feuchtgütemaßes wird in einem auf den Schritt 210 folgenden Schritt 220 ermittelt, ob oder inwieweit eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Brennstoffzellenstapel 10 notwendig ist. Kommt das Verfahren 200 im Schritt 220 zu dem Schluss (nein: -), dass keine Wiederbefeuchtungsmaßnahme notwendig ist (Schritt 222), so wird das Verfahren 200 beendet. In solch einem Fall repräsentiert das Feuchtgütemaß eine entsprechend hohe Güte des Brennstoffzellenstapels 10; es ist also keine Wiederbefeuchtungsmaßnahme kurz-, mittel- und/oder längerfristig notwendig.
  • Kommt das Verfahren 200 im Schritt 220 zu dem Schluss (ja: +), dass eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme notwendig ist, so wird ein Zeitfenster (Beginn, Dauer und/oder Ende, vgl. oben) für die Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Brennstoffzellenstapel 10 bestimmt. Im Zeitfenster wird eine eigentliche Wiederbefeuchtungsmaßnahme des Brennstoffzellenstapels 10 mit den Schritten 230, 240, 250 abgearbeitet. D. h. ein Starten in Schritt 230, ein Durchführen und ggf. ein Überwachen in Schritt 240 und einem Beenden in Schritt 250 der eigentlichen Wiederbefeuchtungsmaßnahme (vgl. oben).
  • Im Rahmen des Überwachens 240 der Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann das Durchführen 240 der Wiederbefeuchtungsmaßnahme unterbrochen werden. Dies kann z. B. aufgrund einer aktuellen Leistungsanforderung, eines Monitorings des Brennstoffzellenstapels 10 etc. erforderlich werden. Sind in einem zeitlichen Anschluss wieder bessere Voraussetzungen für eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme gegeben, so kann diese wieder aufgenommen werden.
  • Insbesondere ist es möglich, die Wiederbefeuchtungsmaßnahme bei einem Abstellen des Brennstoffzellenaggregats 1 zu beginnen und/oder zu beenden und das Brennstoffzellenaggregat 1 erst nach Beenden der Wiederbefeuchtungsmaßnahme stillzulegen. Natürlich kann die Wiederbefeuchtungsmaßnahme auch in einem Stillstand des Brennstoffzellenaggregats 1 durchgeführt bzw. zu Ende geführt werden. Hierzu wird das Brennstoffzellenaggregat 1 während einer Stillstandsphase „geweckt”.
  • Insbesondere ist es bei einem zeitgesteuerten Start des Brennstoffzellenaggregats 1 möglich, die Wiederbefeuchtungsmaßnahme zeitlich vor einem Start des Brennstoffzellenaggregats 1 durchzuführen und nach Möglichkeit abzuschließen. Dies hat den Vorteil, dass ein bald darauf stattfindender Normalbetrieb des Brennstoffzellenaggregats 1 mit einem frisch wiederbefeuchteten Brennstoffzellenstapel 10 erfolgen kann. Ferner sind dann ggf. keine weiteren Vorbereitungsmaßnahmen für einen Start des Brennstoffzellenaggregats 1 mehr notwendig. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist bereits teilweise oder im Wesentlichen betriebsbereit.
  • Zeitlich nach dem Beenden 330 der Wiederbefeuchtungsmaßnahme kann der Brennstoffzellenstapel 10 in einen Betriebszustand zurückkehren, welchen er vor der Wiederbefeuchtungsmaßnahme eingenommen hat, z. B. in eine Stillstandsphase. Alternativ kann der Brennstoffzellenstapel 10 natürlich einen Betriebszustand einnehmen, welcher durch die aktuellen Anforderungen an das Brennstoffzellenaggregat 1 bzw. durch das Brennstoffzellensystem gekennzeichnet sind, worunter natürlich ebenfalls eine Stillstandsphase verstanden werden kann.
  • Die 3 zeigt ein beispielhaftes Vorgehen. - Zunächst (Teil I - Diagnoseabschnitt) erkennt z. B. das Steuergerät 50 einerseits ein Abfallen (Ableitung o. ä.) der Zellspannung U sowie zeitlich (Zeit T) parallel dazu ein Ansteigen (Ableitung o. ä.) des Hochfrequenzwiderstands R z. B. aufgrund von realer Austrocknung des Brennstoffzellenstapels 10. Das Steuergerät 50 ermittelt dabei, ggf. unter Hinzuziehung wenigstens eines weiteren Betriebsparameters, das Feuchtgütemaß.
  • In der zeitlichen Folge T (Teil II - Erkennungsbereich) erkennt das Steuergerät 50 bei gegebenen Betriebsbedingungen sowie z. B. aufgrund einer Unterschreitung einer Schwelle der Zellspannung U und/oder z. B. einer Überschreitung einer Schwelle des Hochfrequenzwiderstands R, die Austrocknung des Brennstoffzellenstapels 10 durch das ermittelte Feuchtgütemaß.
  • Aufgrund des ermittelten Feuchtgütemaßes wird einem weiteren Abfall der Zellspannung U und/oder einem weiteren Anstieg des Hochfrequenzwiderstands R durch eine Reaktion des Steuergeräts 50, d. h. eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme des wenigstens einen, zu trockenen Bereichs des Brennstoffzellenstapels 10 entgegengewirkt. Hierzu wird wenigstens ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 10 und/oder des Brennstoffzellenaggregats 1 angepasst (vgl. oben, Teil III - Wiederbefeuchtungsabschnitt).
  • Haben sich in der zeitlichen Folge T (Teil IV - Normalbereich) die Zellspannung U und/oder der Hochfrequenzwiderstand R wieder „normalisiert”, so kann der Brennstoffzellenstapel 10 bzw. das Brennstoffzellenaggregats 1 wieder in einem Normalbetriebsmodus bzw. einem nun notwendigen Betriebsmodus betrieben werden, um z. B. eine partielle Flutung des Brennstoffzellenstapels 10 zu verhindern.

Claims (13)

  1. Verfahren (200) zum Durchführen einer Wiederbefeuchtungsmaßnahme eines Brennstoffzellenstapels (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1), bevorzugt eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Betriebs des Brennstoffzellenaggregats (1) ein Feuchtegütemaß des Brennstoffzellenstapels (10) ermittelt wird, welches einen Trocknungsgrad wenigstens eines Bereichs des Brennstoffzellenstapels (10) repräsentiert, und anhand dieses Feuchtegütemaßes entschieden wird, inwieweit die Wiederbefeuchtungsmaßnahme des wenigstens einen, zu trockenen Bereichs des Brennstoffzellenstapels (10) durchgeführt werden soll und/oder durchgeführt wird.
  2. Verfahren (200) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Feuchtegütemaß: • aus einem elektrischen Hochfrequenzwiderstand (R) wenigstens eines Abschnitts (100) des Brennstoffzellenstapels (10), • durch ein Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters, insbesondere einer Zellspannung (U), des Brennstoffzellenstapels (10) oder des Brennstoffzellenaggregats (1), und/oder • durch einen Vergleich wenigstens einer Zellspannung (U) des Brennstoffzellenstapels (10) mit einer hinterlegten Zellspannung (U) ermittelt wird.
  3. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln des Hochfrequenzwiderstands (R) auf ein Gleichstromsignal des Brennstoffzellenstapels (10) ein Hochfrequenzsignal aufgeprägt wird, und der ermittelte Hochfrequenzwiderstand (R) bevorzugt von einer erzeugenden Quelle und/oder von einer anderen Einrichtung ausgewertet wird.
  4. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Feuchtegütemaß eine Wiederbefeuchtungsmaßnahme durch ein Ansteigen eines Hochfrequenzwiderstands (R) und eine fallende Zellspannung (U) während des Betriebs des Brennstoffzellenaggregats (1) repräsentiert ist, wobei bevorzugt ein zu trockener Bereich des Brennstoffzellenstapels (10) im Feuchtegütemaß durch ein Unterschreiten einer Schwelle der Zellspannung (U) und/oder ein Überschreiten einer Schwelle des Hochfrequenzwiderstands (R) bei gegebenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenaggregats (1) repräsentiert ist.
  5. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Erkennen eines zu trockenen Bereichs des Brennstoffzellenstapels (10) durch das Feuchtegütemaß, die Wiederbefeuchtungsmaßnahme für den Brennstoffzellenstapel (10) einleitbar ist und/oder eingeleitet wird oder angestrebt ist und/oder angestrebt wird.
  6. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wiederbefeuchtungsmaßnahme ein Gasdruck, ein Gasvolumenfluss, eine Gasfeuchte, eine Stöchiometrie, ein Massenstrom und/oder eine Temperatur an/in einer Anode und/oder Kathode des Brennstoffzellenstapels (10) derart eingestellt wird, dass der wenigstens eine zu trockene Bereich des Brennstoffzellenstapels (10) wiederbefeuchtet wird.
  7. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wiederbefeuchtungsmaßnahme in der Anode und/oder Kathode des Brennstoffzellenstapels (10) ein Gasdruck erhöht, eine Gasfeuchte erhöht, ein elektrischer Strom erhöht, ein Gasvolumenfluss reduziert, eine Stöchiometrie reduziert und/oder eine Temperatur reduziert wird.
  8. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wiederbefeuchtungsmaßnahme ein vom Brennstoffzellenstapel (10) generierter elektrischer Strom aus/- eingeschaltet oder ein-/ausgeschaltet wird, wobei das Aus-/Wiedereinschalten oder das Ein-/Wiederausschalten mehrfach durchführbar ist und/oder durchgeführt wird.
  9. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • anhand des Feuchtegütemaßes ein Zeitfenster für die Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Brennstoffzellenstapel (10) bestimmt wird, • für das Zeitfenster wenigstens ein zeitlicher Beginn, eine zeitliche Dauer und/oder ein zeitliches Ende bestimmt wird, und/oder • der Beginn, die Dauer und/oder das Ende des Zeitfensters aus dem Feuchtegütemaß des Brennstoffzellenstapels (10) bestimmt wird.
  10. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dringlichkeit der Wiederbefeuchtungsmaßnahme berücksichtigt wird, wobei: • bei einer hohen Dringlichkeit die Wiederbefeuchtungsmaßnahme im Wesentlichen unmittelbar, • einer mittleren Dringlichkeit die Wiederbefeuchtungsmaßnahme bei einer sich bietenden Gelegenheit, und/oder • einer niedrigen Dringlichkeit die Wiederbefeuchtungsmaßnahme bei einem Abstellvorgang oder in einer Stillstandsphase des Brennstoffzellenaggregats (1) eingeleitet oder weiter abgearbeitet wird.
  11. Verfahren (200) gemäß vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführen der Wiederbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels (10) überwacht erfolgt, wobei bei einem Vorliegen von aktuell ungünstigen Bedingungen für die Wiederbefeuchtung, das Durchführen der Wiederbefeuchtung abgebrochen, unterbrochen oder mit veränderten Parametern weiter durchgeführt wird.
  12. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: • das Feuchtegütemaß ferner bei einem Abstellen, während einer Stillstandphase und/oder bei einem Starten des Brennstoffzellenaggregats (1) ermittelt wird, • das Verfahren (200) durch ein Steuergerät (50) für den Brennstoffzellenstapel (10) durchführbar ist und/oder durchgeführt wird, • das Verfahren (200) durch eine externe Steuerroutine online durchführbar ist und/oder durchgeführt wird, und/oder • das Verfahren (200) während eines Betriebs, eines Abstellvorgangs und/oder einer Stillstandphase des Brennstoffzellenaggregats (1) durchführbar ist und/oder durchgeführt wird
  13. Brennstoffzellenaggregat (1), Brennstoffzellensystem oder Brennstoffzellenfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Brennstoffzellenaggregat (1), das Brennstoffzellensystem oder das Brennstoffzellenfahrzeug ein Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar ist und/oder durchgeführt wird.
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DE102015115733A1 (de) 2014-09-22 2016-05-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem

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