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DE102020115662A1 - Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellensystem Download PDF

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DE102020115662A1
DE102020115662A1 DE102020115662.6A DE102020115662A DE102020115662A1 DE 102020115662 A1 DE102020115662 A1 DE 102020115662A1 DE 102020115662 A DE102020115662 A DE 102020115662A DE 102020115662 A1 DE102020115662 A1 DE 102020115662A1
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fuel cell
coolant
cell stack
volume flow
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DE102020115662.6A
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Markus RUF
Hannah Staub
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines in einen Kühlmittelkreislauf (10) eingebundenen Brennstoffzellenstapels (11), durch den mittels einer Kühlmittelpumpe (28) ein Volumenstrom eines Kühlmittels gefördert wird, umfassend die Schritte:- Aufprägen einer Oszillation auf den Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (10) durch eine sich zeitlich verändernde Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe (28),- Erfassen und Aufzeichnen eines Temperaturverlaufs des aus dem Brennstoffzellenstapel (11) austretenden oszillierenden Kühlmittels mittels eines Temperatursensors (24),- Vergleichen des gemessenen Temperaturverlaufs mit einem Referenzverlauf, und- Feststellen einer Alterung, wenn der Referenzverlauf und der gemessene Temperaturverlauf hinsichtlich wenigstens eines Parameters um einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem (1) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines in einen Kühlmittelkreislauf eingebundenen Brennstoffzellenstapels, durch den mittels einer Kühlmittelpumpe ein Volumenstrom eines Kühlmittels gefördert wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Ein Brennstoffzellensystem dient zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Reaktion eines Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, mit Sauerstoff unter Nutzung der Membran-Elektroden-Einheit, die eine protonleitende Membran aufweist, auf der einerseits eine Anodenelektrode und andererseits eine Kathodenelektrode angeordnet ist. Zur Erhöhung der bereitgestellten elektrischen Energie werden in der Regel mehrere Membran-Elektroden-Einheiten zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems unterliegen die Brennstoffzellen gegenüber dem Beginn ihrer „Lebenszeit“ (BOL für „Begin of Life“) einer zunehmenden Alterung, die es zu überwachen gilt, um sie am Ende ihrer „Lebenszeit“ (EOL für „End of Life“) - sofern möglich - entweder aufzubereiten oder ganz auszutauschen. Der stapelinterne thermische Zustand des Brennstoffzellenstapels oder Materialparameter desselben (z.B. die Wärmeleitung) sind nicht direkt messbar und deshalb nicht direkt bekannt, wobei sich die Werte durch die zunehmende Alterung verändern.
  • Aus der DE 10 2018 209 450 A1 ist es bekannt aus den mechanischen Schwingungen des Brennstoffzellensystems, die durch den Betrieb der Nebenaggregate entstehen, auf den Wassergehalt des Stapels zu schließen. Aus der EP 1 645 005 B1 und aus der JP 2008 021 606 A ist es bekannt, die thermische Alterung über die Temperatur des Stapels zu bestimmen.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines Brennstoffzellenstapels sowie ein verbessertes Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
    • - Aufprägen einer Oszillation auf den Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf durch eine sich zeitlich verändernde Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe,
    • - Erfassen und Aufzeichnen eines Temperaturverlaufs des aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden oszillierenden Kühlmittels mittels eines Temperatursensors,
    • - Vergleichen des gemessenen Temperaturverlaufs mit einem Referenzverlauf, und
    • - Feststellen einer Alterung, wenn der Referenzverlauf und der gemessene Temperaturverlauf hinsichtlich wenigstens eines Parameters um einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen..
  • Das „Aufprägen einer Oszillation“ auf den Volumenstrom führt zu einem sich zeitlich periodisch verändernden Kühlmittelvolumenstrom, der über das Maß hinausgeht, welches er in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems aufgrund der „normalen“ Rotation der Kühlmittelpumpe erfährt. Aus diesem Grunde ist die Kühlmittelpumpe erfindungsgemäß auch dazu eingerichtet, sich zeitlich verändernde Leistungen aufzunehmen, die einen solchen oszillierenden Volumenstrom im Kühlmittelkreislauf erzeugen kann.
  • Der Referenzverlauf kann beispielsweise in einer Tabelle hinterlegt sein, die in einem Speicher eines Steuergeräts hinterlegt sind. Zudem lassen sich die Temperaturen simulieren durch geeignete Temperaturmodelle, so dass der Referenzverlauf modellbasiert bereitgestellt ist für einen Vergleich der vom Temperatursensor (z.B. Thermoelement) erfassten Ist-Werte.
  • Mit dem Verfahren ist der Vorteil verbunden, dass unbekannte Größen über den thermischen Zustand des Brennstoffzellenstapels erfasst werden können, auf die nachstehend näher eingegangen wird. In Abhängigkeit der festgestellten Alterung lassen sich bestimmte Degradationsmechanismen „aufdecken“, wobei auf diese in geeigneter Weise reagiert werden kann. Es ist schon frühzeitig eine Leistungsreduktion des Brennstoffzellensystems möglich (sog. „Derating“), was insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug einen „Liegenbleiber“ verhindert. Zudem lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Erkenntnisse über den inneren, insbesondere thermischen Zustand des Brennstoffzellenstapels gewinnen.
  • In Reaktion auf die Feststellung einer Alterung werden die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems an das neue thermische Verhalten des Brennstoffzellenstapels angepasst. Diese werden typischerweise im Steuergerät des Brennstoffzellensystems hinterlegt und bei Bedarf - in Abhängigkeit des gewählten Lastpunkts - entsprechend eingestellt.
  • Die Prüfung der thermischen Alterung des Brennstoffzellenstapels wird vorzugsweise zu diskreten Zeitpunkten, zu vorgegebenen Zeitabläufen oder zu vorgegebenen Kilometerabständen durchgeführt. Die Aufprägung der Oszillation erfolgt nicht dauerhaft, sondern vorzugsweise nur für eine vorgegebene Prüfdauer, die lediglich beispielhaft 30 Sekunden beträgt. Eine andere Dauer ist ebenfalls möglich, um die thermische Alterung des Brennstoffzellenstapels zu detektieren.
  • Es ist von Vorteil, wenn die Leistung für die zeitlich verändernde Leistungsaufnahme durch eine Hochvoltbatterie bereitgestellt wird. Auf diese Weise lässt sich beim Brennstoffzellenstapel ein konstanter Betrieb beibehalten, wobei die periodisch oszillierende Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe mittels der durch die Batterie bereitgestellten Leistung erfolgt. Der dynamische Leistungsbedarf der Kühlmittelpumpe wird durch die Batterie bereitgestellt.
  • Es hat sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Parameter die Amplitude des gemessenen Temperaturverlaufs und des Referenzverlaufs ist. Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob die Stapel(ab-)wärme sehr hoch ist.
  • In diesem Zuge ist deshalb von Vorteil, wenn beim Überschreiten des Schwellwerts für die Amplitude die relative Feuchte von Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels erhöht wird. Es lässt sich in diesem Fall darauf schließen, dass die relative Feuchte reduziert ist und/oder die aktive Katalysatorfläche abgenommen hat.
  • Es hat sich alternativ oder ergänzend als sinnvoll erwiesen, wenn der Parameter eine Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Temperaturverlaufs und dem Referenzverlauf ist. Auf diese Weise lässt sich feststellen, dass die stapelinterne Wärmeleitung sehr gering ist.
  • In diesem Zuge ist es daher von Vorteil, wenn beim Überschreiten eines Schwellwerts für die Phasenverschiebung die vom Brennstoffzellenstapel entnommene Leistung reduziert wird („Derating“). Bei einem Phasenversatz lässt sich darauf schließen, dass eine Ungleichverteilung der Wärme vorliegt, oder dass zukünftig aufgrund der Alterung der Kühlmittelvolumenstrom im Normalbetrieb heraufzusetzen ist.
  • Es hat sich alternativ oder ergänzend als sinnvoll erwiesen, wenn der Parameter ein Frequenzunterschied zwischen dem gemessenen Temperaturverlauf und dem Referenzverlauf ist.
  • In diesem Zuge ist es daher von Vorteil, wenn beim Überschreiten eines Schwellwerts für den Frequenzunterschied der Volumenstrom des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel im oszillationsfreien Betrieb angepasst wird.
  • Im Falle des Nichterreichens oder Nichtüberschreitens des Schwellwerts wird vorzugsweise der Betrieb des Brennstoffzellensystems mit denjenigen Betriebsparametern fortgesetzt, welche vor dem Beginn der Oszillation des Kühlmittelvolumenstroms eingestellt waren.
  • Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten im gleichen Maße für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Steuergerät, das zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Ferner umfasst es einen aus mehreren Brennstoffzellen zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel, der anodenseitig an eine Brennstoffversorgung, kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung angeschlossen und in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden ist. Im Kühlmittelkreislauf liegen ein Kühler (Hauptwasserkühler) zur Kühlung sowie eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des im Kühlkreislauf vorhandenen Kühlmittels vor. Außerdem ist ein Temperatursensor vorhanden zur Erfassung und Aufzeichnung des aus dem Brennstoffzellenstapel tretenden Kühlmittels. Die Kühlmittelpumpe ist ausgebildet, zeitlich verändernd Leistung aufzunehmen, um einen oszillierenden Volumenstrom des Kühlmittels zu erzeugen.
  • 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.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
    • 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs,
    • 2 einen zeitlichen Verlauf des von der Kühlmittelpumpe oszillierend geförderten Kühlmittelvolumenstroms zu den Zeitpunkten BOL und EOL,
    • 3 einen Ausschnitt aus dem Diagramm nach 2,
    • 4 einen zeitlichen Verlauf des durch den oszillierenden Kühlmittelvolumenstroms bewirkten Temperaturverlaufs am Stapelaustritt zu den Zeitpunkten BOL und EOL,
    • 5 einen Ausschnitt aus dem Diagramm nach 4, und
    • 6 eine komplexe Darstellung (Aufteilung in Imaginär- und Realteil) der oszillierenden Kurven aus 4 und 5.
  • In 1 ist ein über eine Kommunikationsverbindung mit einem nicht näher dargestellten Fahrzeugsteuergerät verbundenes Steuergerät 25 eines Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 2 aufweist. Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen 2 ist in der 1 nur schematisch angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 und das Fahrzeugsteuergerät sind Teile eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs.
  • Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden 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 aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
  • Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 wird den Anoden Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Die Anodenräume sind vorliegend über eine Anodenzufuhrleitung 12 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 13 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 14 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei ist der Anodenrezirkulationsleitung 14 ein Rezirkulationsgebläse 6 zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 14 eingekoppelt, so dass diese zusammen mit einem Teil der Anodenzufuhrleitung 12 eine Anodenrezirkulation, mithin einen Anodenkreislauf bildet. Vorliegend ist in die Anodenrezirkulationsleitung 14 ein Wasserabscheider 4 eingebunden, in welchem anodenseitig anfallendes Wasser im Anodenkreislauf 3 gesammelt wird. Dieser Wasserabscheider 4 weist ein Abscheiderventil 5 auf, über welches überschüssiges Wasser aber auch Inertgase aus dem Anodenkreislauf ausgelassen werden können.
  • Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 12 ein Brennstoffstellglied 15 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 12 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 15 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmetauscher 16 in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung oder Konditionierung des Brennstoffes angeordnet.
  • Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 17 vorhanden, der vorliegend Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung 18 zunächst an einen Ladeluftkühler 19 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 19 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 20 zugeleitet. Im Befeuchter 20 wird das trockene Kathodengas mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 21 dem Befeuchter 20 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 9 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 20 mit einer Abgasleitung 22 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgeleitet wird.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem der thermischen Alterung des Brennstoffzellenstapels 11, wobei einzelne Parameter nicht direkt messbar sind.
  • Der Brennstoffzellenstapel 11 ist in einen Kühlmittelkreislauf 10 eingebunden, in welchen eine Kühlmittelpumpe 28 für die Zirkulation des Kühlmittels integriert ist. Der Kühlmittelkreislauf 10 weist einen Hauptwasserkühler 29 auf, der einerseits von dem Kühlmittel durchströmt ist, wobei die Kühlmittelleitungen des Hauptwasserkühlers 29 im Betrieb von Luft umströmt sind. Im Bereich zwischen dem Hauptwasserkühler 29 und der Kühlmittelpumpe 28 ist ein Thermostatventil 23 eingebunden, das in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels den Zugang zum Bypass 26 freigibt oder sperrt, so dass der Hauptwasserkühler 29 - bspw. im Froststartbetrieb - umgangen werden kann. Die Kühlmittelpumpe 28 ist vorliegend eingerichtet, eine zeitlich verändernde Leistung aufzunehmen, die von einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird. Der Brennstoffzellenstapel 11 kann zwar ebenfalls die elektrische Versorgung der Kühlmittelpumpe 28 übernehmen, aber für ihn ist ein konstanter Betrieb für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil. Am Stapelaustritt ist in die Kühlmittelleitung 7 des Kühlmittelkreislaufs 10 ein Temperatursensor 24 integriert, um die austrittsseitige Temperatur des Kühlmittels zu erfassen. Die Werte werden zeitlich erfasst, entweder durch eine dem Temperatursensor 24 zugeordnete CPU oder durch das Steuergerät 25.
  • Um die thermische Alterung des in den Kühlmittelkreislauf 10 eingebundenen Brennstoffzellenstapels 11 zu bestimmen, werden die Schritte durchgeführt:
    • - Aufprägen einer Oszillation auf den Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 10 durch eine sich zeitlich verändernde Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe 28, wobei die dynamische Leistung vorliegend von der Hochvoltbatterie bereitgestellt wird,
    • - Erfassen und Aufzeichnen eines Temperaturverlaufs des aus dem Brennstoffzellenstapel 11 austretenden oszillierenden Kühlmittels mittels des Temperatursensors 24,
    • - Vergleichen des gemessenen Temperaturverlaufs mit einem Referenzverlauf, und
    • - Feststellen einer Alterung, wenn der Referenzverlauf und der gemessene Temperaturverlauf hinsichtlich wenigstens eines Parameters um einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen.
  • Der durch die Kühlmittelpumpe bereitgestellte oszillierende Volumenstrom des Kühlmittels bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels 11 (BOL für „Begin of Life“) ist in 2 punktiert dargestellt, wobei der oszillierende Volumenstrom am Lebzeitende des Brennstoffzellenstapels 11 (EOL für „End of Life“) mit durchgezogener Linie gegenübergestellt ist. In 3 ist ein Ausschnitt der Aufzeichnung aus 2 zu erkennen, der den Unterschied verdeutlicht.
  • In 4 ist der durch die Oszillation bewirkte Temperaturverlauf zu den beiden Zeitpunkten BOL und EOL gegenübergestellt, In 5 ist ein Ausschnitt der Aufzeichnung aus 4 zu erkennen, der vorliegend - rein beispielhaft - einen Unterschied in der Amplitude verdeutlicht.
  • Die Amplitude der Oszillation beträgt vorzugsweise weniger als 5 Prozent gegenüber dem mittleren Volumenstroms im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1. Die Frequenz der Oszillation wird in Abhängigkeit er Eigenfrequenzen der Konstituenten des Brennstoffzellensystems eingestellt. Sie beträgt rein beispielhaft 1 Hertz. Vorzugsweise wird die Prüfung auf das Vorliegen einer thermischen Alterung auch nur zeitweise, also nicht dauerhaft, durchgeführt. Wenn sich eine Alterung feststellen ließ, so werden die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 1 an diese Alterung angepasst oder adaptiert, und in einem nicht-flüchtigen Speicher des Steuergeräts 25 abgespeichert, so dass sie zu einem späteren Zeitpunkt bei dem entsprechenden Lastpunkt wieder zur Verfügung stehen und einstellbar sind. Auf diese Weise lässt sich auch der Fortschritt einer Degradation der Brennstoffzellen 2 im Stapel prüfen und mit Erwartungswerten vergleichen.
  • Als Parameter kann - wie vorangehend erläutert - die Amplitude herangezogen werden. Hierbei werden die Amplitude des gemessenen Temperaturverlaufs und die Amplitude des Referenzverlaufs miteinander verglichen. Wenn die Temperatur über den Stapel sehr steigt, d.h. wenn der Schwellwert für die Amplitude erreicht oder überschritten wird, wird ein Derating empfohlen. Alternativ oder ergänzend kann die relative Feuchte der Brennstoffzellen 2 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 erhöht werden.
  • Als Parameter kann alternativ oder ergänzend eine Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Temperaturverlauf und dem Referenzverlauf herangezogen werden. Beim Überschreiten eines Schwellwerts für die Phasenverschiebung wird die vom Brennstoffzellenstapel 11 entnommene Leistung reduziert.
  • Als Parameter kann alternativ oder ergänzend ein Frequenzunterschied zwischen dem gemessenen Temperaturverlauf und dem Referenzverlauf herangezogen werden. Beim Überschreiten eines Schwellwerts für den Frequenzunterschied wird der Volumenstrom des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel 11 im oszillationsfreien Betrieb angepasst.
  • Im Falle eines Nichterreichens des Schwellwerts wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 mit denjenigen Betriebsparametern fortgesetzt, welche vor dem Beginn der Oszillation des Kühlmittelvolumenstroms eingestellt waren.
  • 6 zeigt abschließend noch die beiden oszillierenden Kurven aus 4 und 5 aufgetrennt in ihren Imaginärteil (Abzisse) und ihren Realteil (Ordinate). Hierbei lassen sich bei den beiden Zeitpunkte BOL und EOL ein Zeiger in der komplexen Ebene festlegen, wobei über die Betragsbildung, mithin über die Länge, der Zeiger auf den Alterungszustand des Brennstoffzellenstapels 11 geschlossen werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Anodenkreislauf
    4
    Wasserabscheider
    5
    Abscheiderventil
    6
    Rezirkulationsgebläse
    7
    Kühlmittelleitung
    9
    Kathodenzufuhrleitung
    10
    Kühlmittelkreislauf
    11
    Brennstoffzellenstapel
    12
    Anodenzufuhrleitung
    13
    Brennstoffspeicher
    14
    Anodenrezirkulationsleitung
    15
    Brennstoffstellglied
    16
    Wärmetauscher
    17
    Verdichter
    18
    Verdichterleitung
    19
    Ladeluftkühler
    20
    Befeuchter
    21
    Kathodenabgasleitung
    22
    Abgasleitung
    23
    Thermostatventil
    24
    Temperatursensor
    25
    Steuergerät
    26
    Bypass
    28
    Kühlmittelpumpe
    29
    Hauptwasserkühler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018209450 A1 [0003]
    • EP 1645005 B1 [0003]
    • JP 2008021606 A [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines in einen Kühlmittelkreislauf (10) eingebundenen Brennstoffzellenstapels (11), durch den mittels einer Kühlmittelpumpe (28) ein Volumenstrom eines Kühlmittels gefördert wird, umfassend die Schritte: - Aufprägen einer Oszillation auf den Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (10) durch eine sich zeitlich verändernde Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe (28), - Erfassen und Aufzeichnen eines Temperaturverlaufs des aus dem Brennstoffzellenstapel (11) austretenden oszillierenden Kühlmittels mittels eines Temperatursensors (24), - Vergleichen des gemessenen Temperaturverlaufs mit einem Referenzverlauf, und - Feststellen einer Alterung, wenn der Referenzverlauf und der gemessene Temperaturverlauf hinsichtlich wenigstens eines Parameters um einen vorgegebenen Schwellwert voneinander abweichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung für die zeitlich verändernde Leistungsaufnahme durch eine Hochvoltbatterie bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter die Amplitude des gemessenen Temperaturverlaufs und des Referenzverlaufs ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten des Schwellwerts für die Amplitude die relative Feuchte von Brennstoffzellen (2) innerhalb des Brennstoffzellenstapels (11) erhöht wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Phasenverschiebung zwischen dem gemessenen Temperaturverlauf und dem Referenzverlauf ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten eines Schwellwerts für die Phasenverschiebung die vom Brennstoffzellenstapel (11) entnommene Leistung reduziert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter ein Frequenzunterschied zwischen dem gemessenen Temperaturverlauf und dem Referenzverlauf ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten eines Schwellwerts für den Frequenzunterschied der Volumenstrom durch den Brennstoffzellenstapel (11) im oszillationsfreien Betrieb angepasst wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Nichterreichens des Schwellwerts der Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) mit denjenigen Betriebsparametern fortgesetzt wird, welche vor dem Beginn der Oszillation des Kühlmittelvolumenstroms eingestellt waren.
  10. Brennstoffzellensystem (1) mit einem Steuergerät (25) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend einen aus mehreren Brennstoffzellen (2) zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel (11), der anodenseitig an eine Brennstoffversorgung, kathodenseitig an eine Kathodengasversorgung angeschlossen und in einen Kühlmittelkreislauf (10) eingebunden ist, in welchem ein Kühler und eine Kühlmittelpumpe (28) zur Kühlung und zur Förderung des im Kühlkreislauf (10) vorhandenen Kühlmittels sowie ein Temperatursensor zur Erfassung und Aufzeichnung des aus dem Brennstoffzellenstapel (11) tretenden Kühlmittels vorliegen, wobei die Kühlmittelpumpe (28) ausgebildet ist, zeitlich verändernd Leistung aufzunehmen, um einen oszillierenden Volumenstrom des Kühlmittels zu erzeugen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022200741A1 (de) 2022-01-24 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme mit Berücksichtigung von reversiblen und irreversiblen Kennlinieneffekten

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008021606A (ja) 2006-07-14 2008-01-31 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
EP1645005B1 (de) 2003-07-02 2011-09-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Energieabgabeeinrichtung und steuerverfahren der energieabgabeeinrichtung
DE102013219006A1 (de) 2013-06-13 2014-12-18 Hyundai Motor Company Kühlmittelpumpen-Antriebssystem
DE102017214726A1 (de) 2017-08-23 2019-02-28 Audi Ag Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlmittelkreislaufs eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
DE102018209450A1 (de) 2018-06-13 2019-12-19 Audi Ag Verfahren zur Bestimmung der Stapelfeuchte in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem
US20200171976A1 (en) 2018-11-29 2020-06-04 Hyundai Motor Company Method for controlling thermal management systems of power plant

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1645005B1 (de) 2003-07-02 2011-09-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Energieabgabeeinrichtung und steuerverfahren der energieabgabeeinrichtung
JP2008021606A (ja) 2006-07-14 2008-01-31 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
DE102013219006A1 (de) 2013-06-13 2014-12-18 Hyundai Motor Company Kühlmittelpumpen-Antriebssystem
DE102017214726A1 (de) 2017-08-23 2019-02-28 Audi Ag Verfahren zur Bewertung eines Kühlmittelflusses eines Kühlmittelkreislaufs eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Fahrzeug
DE102018209450A1 (de) 2018-06-13 2019-12-19 Audi Ag Verfahren zur Bestimmung der Stapelfeuchte in einem Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem
US20200171976A1 (en) 2018-11-29 2020-06-04 Hyundai Motor Company Method for controlling thermal management systems of power plant

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022200741A1 (de) 2022-01-24 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme mit Berücksichtigung von reversiblen und irreversiblen Kennlinieneffekten

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