DE102016004855A1

DE102016004855A1 - Method for determining a humidification state of a membrane of a fuel cell and fuel cell system

Info

Publication number: DE102016004855A1
Application number: DE102016004855.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Oszcipok
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Befeuchtungszustands einer Membran (5), insbesondere einer Protonenaustauschmembran, die einen Anodenraum (4) von einem Kathodenraum (3) einer Brennstoffzelle (2) trennt, wobei der Anodenraum (4) in einen Anodenkreislauf eingebunden ist, wobei ferner im Betrieb der Brennstoffzelle (2) ein Druckabfall im Anodenkreislauf ermittelt wird und anhand einer Größe des ermittelten Druckabfalls der Befeuchtungszustand der Membran (5) bestimmt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Druckabfall ermittelt wird, wenn die Brennstoffzelle (2) in einem definierten, bekannten Betriebszustand betrieben wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem (1).The invention relates to a method for determining a moistening state of a membrane (5), in particular a proton exchange membrane, which separates an anode space (4) from a cathode space (3) of a fuel cell (2), wherein the anode space (4) is integrated into an anode circuit, wherein further during operation of the fuel cell (2), a pressure drop in the anode circuit is determined and based on a size of the determined pressure drop, the humidification state of the membrane (5) is determined. According to the invention, it is provided that the pressure drop is determined when the fuel cell (2) is operated in a defined, known operating state. The invention further relates to a fuel cell system (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Befeuchtungszustands einer Membran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention relates to a method for determining a moistening state of a membrane according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 6.

Aus WO 2008/142564 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Befeuchtungszustand einer Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle mit Hilfe von Wasserstoffdruckmessungen bestimmt wird. Weiterhin sind Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle bekannt, bei denen der Befeuchtungszustand einer Protonenaustauschmembran einer Brennstoffzelle mittels Luft- bzw. Oxidationsgas-Druckmessungen bestimmt wird, wie es beispielsweise in DE 11 2007 002 429 T5 beschrieben ist.Out WO 2008/142564 A1 For example, a method is known in which a humidification state of a proton exchange membrane of a fuel cell is determined by means of hydrogen pressure measurements. Furthermore, methods for operating a fuel cell are known, in which the moistening state of a proton exchange membrane of a fuel cell is determined by means of air or oxidation gas pressure measurements, as described, for example, in US Pat DE 11 2007 002 429 T5 is described.

Ferner sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, bei denen der Befeuchtungszustand einer Protonenaustauschmembran mittels Impedanzspektroskopie ermittelt wird.Furthermore, methods are known from the prior art in which the moistening state of a proton exchange membrane is determined by means of impedance spectroscopy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Bestimmung eines Befeuchtungszustands einer Membran einer Brennstoffzelle anzugeben. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Brennstoffzellensystem anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method for determining a moistening state of a membrane of a fuel cell. The invention is further based on the object to provide a comparison with the prior art improved fuel cell system.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Hinsichtlich des Brennstoffzellensystems wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen gelöst.With regard to the method, the object is achieved according to the invention with the features specified in claim 1. With regard to the fuel cell system, the object is achieved according to the invention with the features specified in claim 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einem Verfahren zur Bestimmung eines Befeuchtungszustands einer Membran, insbesondere einer Protonenaustauschmembran, die einen Anodenraum von einem Kathodenraum einer Brennstoffzelle trennt, wobei der Anodenraum in einen Anodenkreislauf eingebunden ist, wird im Betrieb der Brennstoffzelle ein Druckabfall im Anodenkreislauf ermittelt, wobei anhand einer Größe des ermittelten Druckabfalls der Befeuchtungszustand der Membran bestimmt wird.In a method for determining a moistening state of a membrane, in particular a proton exchange membrane which separates an anode space from a cathode space of a fuel cell, wherein the anode space is integrated into an anode circuit, a pressure drop in the anode circuit is determined during operation of the fuel cell, wherein based on a size of the determined Pressure drop of the moistening state of the membrane is determined.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Druckabfall ermittelt wird, wenn die Brennstoffzelle in einem definierten, bekannten Betriebszustand betrieben wird.According to the invention, it is provided that the pressure drop is determined when the fuel cell is operated in a defined, known operating state.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zuverlässig ein Befeuchtungszustand der Membran bestimmt werden. Die Kenntnis über den Befeuchtungszustand der Membran ist in der Brennstoffzellentechnologie von großer Bedeutung, da die Protonenleitfähigkeit der Membran von deren Befeuchtungszustand abhängt. Dadurch, dass die Brennstoffzelle in einem definierten, bekannten Zustand betrieben wird, sind Einflussfaktoren auf den Druckabfall bekannt, so dass als einziger unbekannter Einflussfaktor die Permeationseigenschaften der Membran verbleiben. Die Permeationseigenschaften der Membran, d. h. ihre Durchlässigkeit für z. B. Gase oder Brennstoffe wie H2, hängt von ihrer Dicke ab und ihre Dicke wiederum von ihrem Wassergehalt bzw. Befeuchtungszustand, da die Membran bei zunehmendem Wassergehalt anschwillt und bei abnehmendem Wassergehalt zusammenschrumpft. Da eine Durchlässigkeit der Membran somit abhängig von ihrem Wassergehalt und somit wiederum von ihrem Befeuchtungszustand ist, wird bei feuchter Membran die Durchlässigkeit erhöht, so dass ein im Anodenkreislauf geführter Brennstoff stärker durch die Membran hindurch diffundieren kann. Dies ergibt bei Druckmessungen im Anodenkreislauf einen erhöhten Druckabfall des Anodenkreislaufs gegenüber einer trockenen Membran. Vorzugsweise wird bei Inbetriebnahme der Brennstoffzelle ein Referenzwert für einen Druckabfall des Anodenkreislaufs ermittelt, so dass im laufenden Betrieb der Brennstoffzelle ein Ist-Wert mit dem Referenzwert verglichen werden kann. Denkbar ist auch, einen Referenzwert vorzugeben, beispielsweise mittels Vorgabe vom Hersteller.By means of the method according to the invention, a moistening state of the membrane can be reliably determined. Knowledge of the moistening state of the membrane is of great importance in fuel cell technology because the proton conductivity of the membrane depends on its moistening state. Because the fuel cell is operated in a defined, known state, influencing factors on the pressure drop are known, so that the permeation properties of the membrane remain as the only unknown influencing factor. The permeation properties of the membrane, i. H. their permeability to z. As gases or fuels such as H2, depends on their thickness and their thickness in turn of their water content or humidification, since the membrane swells with increasing water content and shrinks with decreasing water content. Since a permeability of the membrane is thus dependent on its water content and thus in turn on its moistening state, the permeability is increased with a moist membrane, so that a fuel conducted in the anode circulation can diffuse more strongly through the membrane. This results in pressure measurements in the anode circuit an increased pressure drop of the anode circuit over a dry membrane. When the fuel cell is started up, a reference value for a pressure drop of the anode circuit is preferably determined, so that an actual value can be compared with the reference value during ongoing operation of the fuel cell. It is also conceivable to specify a reference value, for example by means of specification from the manufacturer.

Wird ein nicht optimaler Befeuchtungszustand der Membran bestimmt, können Gegenmaßnahmen zur Befeuchtung der Membran eingeleitet werden. Damit kann in Kombination mit einer geeigneten Messprozedur die Brennstoffzelle langfristig optimiert betrieben werden, so dass gegenüber dem Stand der Technik eine Leistung der Brennstoffzelle verbessert und eine Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht ist.If a non-optimal humidification state of the membrane is determined, countermeasures for moistening the membrane can be initiated. Thus, in combination with a suitable measurement procedure, the fuel cell can be operated optimally in the long term, so that compared to the prior art, a performance of the fuel cell is improved and a service life of the fuel cell is increased.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch ein Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem mit einem geschlossenen Anodenkreislauf in Form eines Blockschaltbildes und 1 schematically a section of a fuel cell system with a closed anode circuit in the form of a block diagram and

2 schematisch ein Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem mit einem offenen Anodenkreislauf in Form eines Blockschaltbildes. 2 schematically a section of a fuel cell system with an open anode circuit in the form of a block diagram.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt ausschnittsweise ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 und einem geschlossenen Anodenkreislauf. 1 shows a detail of a fuel cell system 1 with a fuel cell 2 and a closed anode circuit.

Das Brennstoffzellensystem 1 ist beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine Antriebseinheit eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs vorgesehen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet hierbei die Brennstoffzelle 2, welche einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 und einen nicht näher dargestellten Kühlwasserbereich aufweist. Zur vereinfachten Darstellung sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich ein Anodenraum 4 und ein Kathodenraum 3 mit einer dazwischen angeordneten, Anodenraum 4 von Kathodenraum 3 trennenden Membran 5, die insbesondere als eine Protonenaustauschmembran ausgebildet ist, gezeigt und können stellvertretend für eine Vielzahl von Anodenbereichen, Kathodenbereichen und Membranen eines Brennstoffzellenstapels mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 2 stehen.The fuel cell system 1 is for example provided for the provision of electrical energy for a drive unit of a vehicle, not shown. The core of the fuel cell system 1 in this case forms the fuel cell 2 which has a cathode compartment 3 and an anode room 4 and having a cooling water area, not shown. For the sake of simplicity, only one anode space is present in the present exemplary embodiment 4 and a cathode compartment 3 with an anode space arranged therebetween 4 from cathode compartment 3 separating membrane 5 shown particularly as a proton exchange membrane, and may be representative of a plurality of anode regions, cathode regions, and membranes of a fuel cell stack having a plurality of fuel cells 2 stand.

Der Kathodenraum 3 ist mit einer Zuluftleitung 6 verbunden, über welche Luft von einer Luftzufuhreinheit 7, z. B. einen Kompressor, dem Kathodenraum 3 zugeführt wird. Weiterhin ist der Kathodenraum 3 mit einer Abluftleitung 8 verbunden, über die Abluft aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet wird.The cathode compartment 3 is with a supply air line 6 connected, via which air from an air supply unit 7 , z. B. a compressor, the cathode compartment 3 is supplied. Furthermore, the cathode compartment 3 with an exhaust pipe 8th connected, via the exhaust air from the fuel cell 2 is derived.

Dem Anodenraum 4 wird über eine Brennstoffzufuhrleitung 9 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, aus einem nicht dargestellten Brennstoffspeicher zugeführt. Der Brennstoff wird dabei vom Brennstoffspeicher über ein Brennstoffventil 10 in den Anodenraum 4 geleitet. Typischerweise wird dem Anodenraum 4 mehr Brennstoff zugeführt, als in diesem elektrochemisch umgesetzt wird. Ein Restbrennstoff wird dann über eine Brennstoffabfuhrleitung 11 aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt und im vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Rezirkulationsleitung 11.1 und eine Rezirkulationsfördereinheit 12, beispielsweise ein Rezirkulationsgebläse oder einer Gasstrahlpumpe, in den Bereich des Eingangs des Anodenraums 4 zurückgefördert. Dort vermischt sich der Restbrennstoff mit dem frischen Brennstoff und wird dem Anodenraum 4 erneut zugeführt.The anode compartment 4 is via a fuel supply line 9 Fuel, in particular hydrogen, supplied from a fuel storage, not shown. The fuel is thereby from the fuel storage via a fuel valve 10 in the anode compartment 4 directed. Typically, the anode compartment 4 supplied more fuel than is converted in this electrochemically. A residual fuel is then via a fuel discharge line 11 from the fuel cell 2 discharged and in the present embodiment via a recirculation line 11.1 and a recirculation conveying unit 12 , For example, a recirculation fan or a gas jet pump, in the region of the entrance of the anode compartment 4 conveyed back. There, the residual fuel mixes with the fresh fuel and becomes the anode compartment 4 fed again.

Mittels der Rezirkulationsleitung 11.1 ist ein geschlossener Anodenkreislauf gebildet, in welchen der Anodenraum 4 eingebunden ist und in welchem sich mit der Zeit Produktwasser ansammelt, da ein kleiner Teil des Produktwassers aus der Brennstoffzelle 2 auch im Bereich des Anodenraums 4 entsteht. Zudem diffundieren inerte Gase wie beispielsweise Stickstoff durch die Membran 5 hindurch in den Anodenraum 4. Dies führt im Bereich der Rezirkulationsleitung 11.1 zu einer sich mit der Zeit verringernden Wasserstoffkonzentration. Um dem entgegenzuwirken, kann Gas und/oder Wasser aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 11.1 abgeleitet werden. Dazu ist eine Abscheideeinheit 13, z. B. ein Wasserabscheider, mit einem Ablassventil 14 angeordnet, welches in einer nicht weiter dargestellten Ablassleitung angeordnet ist.By means of the recirculation line 11.1 a closed anode circuit is formed in which the anode compartment 4 and in which product water accumulates over time, since a small portion of the product water from the fuel cell 2 also in the area of the anode compartment 4 arises. In addition, inert gases such as nitrogen diffuse through the membrane 5 through into the anode compartment 4 , This leads in the area of the recirculation line 11.1 to a decreasing hydrogen concentration over time. To counteract this, gas and / or water from the area of the recirculation line 11.1 be derived. This is a separation unit 13 , z. As a water trap, with a drain valve 14 arranged, which is arranged in a drain line, not shown.

Wie bereits erwähnt, dient die Brennstoffzelle 2 zur Bereitstellung elektrischer Energie, wobei innerhalb der Brennstoffzelle 2 chemische Energie in elektrische Energie unter Verwendung von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und Sauerstoff umgewandelt wird. Die Membran 5 bildet dabei die Verbindung zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 3. Brennstoffmoleküle, insbesondere Wasserstoffmoleküle dissoziieren im Anodenraum 4 unter Abgabe von zwei Elektronen zu je zwei Protonen und diffundieren durch die Membran 5. Im Kathodenraum 3 wird Sauerstoff mittels Elektronen reduziert, wobei zusammen mit den durch die Membran 5 diffundierten Protonen Wasser entsteht.As already mentioned, the fuel cell is used 2 for providing electrical energy, wherein within the fuel cell 2 chemical energy is converted into electrical energy using fuel, especially hydrogen, and oxygen. The membrane 5 forms the connection between the anode compartment 4 and the cathode compartment 3 , Fuel molecules, in particular hydrogen molecules dissociate in the anode compartment 4 with delivery of two electrons to two protons and diffuse through the membrane 5 , In the cathode compartment 3 Oxygen is reduced by means of electrons, together with the through the membrane 5 diffused protons water is formed.

Zur Sicherstellung einer Protonenleitfähigkeit der Membran 5 ist eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran 5 erforderlich. Abhängig vom Befeuchtungszustand der Membran 5 steigt oder sinkt somit deren Leitungswiderstand und erhöht oder verringert daraus resultierend die Verlustleistung der Brennstoffzelle 2. Damit ist für eine möglichst geringe Verlustleistung der Brennstoffzelle 2 im Allgemeinen ein optimaler Wassergehalt in der Membran 5 erforderlich.To ensure a proton conductivity of the membrane 5 is a sufficient moisture of the membrane 5 required. Depending on the moistening condition of the membrane 5 thus increases or decreases their line resistance and increases or decreases resulting from the power loss of the fuel cell 2 , This is for the lowest possible power loss of the fuel cell 2 generally an optimal water content in the membrane 5 required.

Der Befeuchtungszustand der Membran 5 ist dabei beispielsweise abhängig von einer Alterung der Membran 5 im Betrieb der Brennstoffzelle 2. Ein zu trockener Betrieb erhöht die Angreifbarkeit der Membran 5 durch chemische Prozesse innerhalb der Brennstoffzelle 2. Zudem ist bekannt, dass in einem dynamischen Betrieb der Brennstoffzelle 2, in welchem der Wassergehalt in der Membran 5 stark variieren kann, auch eine mechanische Beanspruchung durch Schrumpf- und Schwellvorgänge der Membran 5 auftreten kann. Abhängig vom Befeuchtungszustand der Membran 5 ändern sich somit deren Dicke und ihre physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise Permeationseigenschaften.The moistening condition of the membrane 5 is for example dependent on aging of the membrane 5 during operation of the fuel cell 2 , Too dry operation increases the vulnerability of the membrane 5 by chemical processes within the fuel cell 2 , In addition, it is known that in a dynamic operation of the fuel cell 2 in which the water content in the membrane 5 can vary greatly, including mechanical stress due to shrinkage and Schwellvorgänge the membrane 5 can occur. Depending on the moistening condition of the membrane 5 Thus, their thickness and physical properties, such as permeation properties, change.

Zur Sicherstellung eines optimalen Befeuchtungszustands sieht die Erfindung ein Verfahren vor, mittels welchem der Befeuchtungszustand der Membran 5 im Betrieb der Brennstoffzelle 2 bestimmt wird. Der Befeuchtungszustand wird dabei anhand einer ermittelten Permeationsrate eines Reaktionsgases, insbesondere von Wasserstoff, im Betrieb der Brennstoffzelle 2 bestimmt, und zwar in regelmäßigen oder auch in bedarfsorientierten Abständen. Dazu ist es erforderlich, einen definierten Zustand innerhalb der Brennstoffzelle 2 einzustellen, in welchem reproduzierbare Messungen durchführbar sind. Vorzugsweise wird zur Erreichung eines solchen Zustandes das Brennstoffzellensystem 1 möglichst gleichförmig belastet, so dass dynamische Effekte die Messung nicht negativ beeinflussen können.To ensure an optimal moistening state, the invention provides a method by means of which the moistening state of the membrane 5 during operation of the fuel cell 2 is determined. The moistening state is determined based on a determined permeation rate of a reaction gas, in particular of hydrogen, during operation of the fuel cell 2 determined, in regular or on demand-oriented intervals. This requires a defined state within the fuel cell 2 in which reproducible measurements can be carried out. Preferably, to achieve such a state, the The fuel cell system 1 as uniformly loaded as possible, so that dynamic effects can not adversely affect the measurement.

Zur Ermittlung der Permeationsrate des Brennstoffs sind zwei Drucksensoren 15, 16 vorgesehen, die im Anodenkreislauf angeordnet sind. Dabei ist ein eingangsseitiger Drucksensor 15 in der Brennstoffzufuhrleitung 9 und damit in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor dem Anodenraum 4 angeordnet. Ein ausgangsseitiger Drucksensor 16 ist in Strömungsrichtung des Brennstoffs nach dem Anodenraum 4 und somit in der Rezirkulationsleitung 11.1 angeordnet.To determine the permeation rate of the fuel are two pressure sensors 15 . 16 provided, which are arranged in the anode circuit. Here is an input-side pressure sensor 15 in the fuel supply line 9 and thus in the direction of flow of the fuel in front of the anode space 4 arranged. An output-side pressure sensor 16 is in the flow direction of the fuel after the anode space 4 and thus in the recirculation line 11.1 arranged.

Wie bereits zuvor beschrieben, wird aus dem Brennstoffspeicher frischer Brennstoff mittels des Brennstoffventils 10 in den Anodenkreislauf eindosiert. Nach der Eindosierung des Brennstoffs stellt sich ein bestimmter Druck im geschlossenen Anodenkreislauf ein. Ein zeitlicher Druckabfall eines Gesamtdruckes wird mittels des eingangsseitigen Drucksensors 15 und mittels des ausgangsseitigen Drucksensors 16 erfasst. Dieser Druckabfall ist dabei abhängig von mehreren Einflussfaktoren, z. B. von einer Stromentnahme der Brennstoffzelle 2, von einem Rezirkulationsmassenstrom, von einem Massenstrom aus der Abscheideeinheit 13, von Verlusten über eine Pumpendichtung, von Verlusten über eine Brennstoffzellendichtung nach außen und von Verlusten durch die Membran 5 zum Kathodenraum 3.As previously described, fuel from the fuel storage becomes fresh fuel via the fuel valve 10 metered into the anode circuit. After metering in the fuel, a certain pressure is established in the closed anode circuit. A temporal pressure drop of a total pressure is by means of the input-side pressure sensor 15 and by means of the output side pressure sensor 16 detected. This pressure drop is dependent on several influencing factors, eg. B. from a current drain of the fuel cell 2 , from a recirculation mass flow, from a mass flow from the separation unit 13 , losses through a pump seal, losses via a fuel cell seal to the outside and losses through the membrane 5 to the cathode compartment 3 ,

Die Verluste über die Pumpendichtung, die Brennstoffzellendichtung nach außen sowie die Verluste über den Rezirkulationsmassenstrom können nach vorhergehender Charakterisierung prognostiziert werden und sind somit bekannt. Versetzt man das Brennstoffzellensystem 1 nun in einen Zustand, in dem für eine bestimmte Zeit ein konstanter Strom entnommen wird und die Abscheidereinheit 13 deaktiviert ist, so kann aus einer Druckabnahme im geschlossenen Anodenkreislauf auf die Verluste durch die Membran 5 geschlossen werden. Insbesondere wird hierbei mittels geeigneter Berechnung anhand der Druckabnahme eine Permeationsrate des Brennstoffs durch die Membran 5 bei bekanntem Konzentrationsgradienten ermittelt. Auf Basis der so ermittelten Permeationsrate kann anschließend auf die Membrandicke, also deren feuchteabhängigen Quellungsgrad, und somit auf deren Befeuchtungszustand rückgeschlossen werden.The losses via the pump seal, the fuel cell seal to the outside and the losses via the recirculation mass flow can be predicted according to previous characterization and are thus known. If you put the fuel cell system 1 now in a state in which for a certain time a constant current is removed and the separator unit 13 is deactivated, so can from a pressure decrease in the closed anode circuit on the losses through the membrane 5 getting closed. In particular, by means of a suitable calculation on the basis of the decrease in pressure, a permeation rate of the fuel through the membrane is determined 5 determined at a known concentration gradient. On the basis of the permeation rate determined in this way, it is then possible to deduce the membrane thickness, ie its moisture-dependent degree of swelling, and thus its moistening state.

Vorzugsweise wird dem Brennstoffzellensystem 1 in diesem Zustand nur ein geringer Strom entnommen. Bei stark dynamischen Anwendungsfällen, beispielsweise in Fahrzeugen, kann dieser Zustand durch den Einsatz von Pufferspeichern erreicht werden.Preferably, the fuel cell system 1 only a small amount of electricity was taken in this condition. In highly dynamic applications, for example in vehicles, this condition can be achieved by the use of buffer tanks.

Bei Brennstoffzellensystemen 1 mit einem offenen Anodenkreislauf ist die Berücksichtigung einer Veränderung des Druckabfalls der durchströmten Seiten erforderlich. Dies wird in 2 näher erläutert.For fuel cell systems 1 with an open anode circuit, the consideration of a change in the pressure drop of the flow-through sides is required. This will be in 2 explained in more detail.

2 zeigt dazu ausschnittsweise ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 und einem offenen Anodenkreislauf. 2 shows a detail of a fuel cell system 1 with a fuel cell 2 and an open anode circuit.

Der Anodenkreislauf umfasst gemäß 1 das Brennstoffventil 10 zur Eindosierung frischen Brenngases, die Drucksensoren 15, 16, den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2, die Brennstoffabfuhrleitung 11 und zusätzlich eine Fördereinrichtung 17, z. B. eine Pumpe, insbesondere eine Saugstrahlpumpe, ein Gebläse oder dergleichen. Eine Rezirkulationsleitung 11.1 ist hier nicht vorgesehen.The anode circuit comprises according to 1 the fuel valve 10 for metering fresh fuel gas, the pressure sensors 15 . 16 , the anode room 4 the fuel cell 2 , the fuel discharge pipe 11 and additionally a conveyor 17 , z. As a pump, in particular a suction jet pump, a blower or the like. A recirculation line 11.1 is not planned here.

Der Kathodenzweig ist hier ebenfalls gemäß 1 sehr vereinfacht mit der Zuluftleitung 6, der Luftzufuhreinheit 7, dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 und der Abluftleitung 8 dargestellt.The cathode branch is also here according to 1 very simplified with the supply air line 6 , the air supply unit 7 , the cathode compartment 3 the fuel cell 2 and the exhaust duct 8th shown.

Aus dem Brennstoffspeicher wird hier frischer Brennstoff mittels des Brennstoffventils 10 der Anodenzufuhrleitung 9 zugeführt. Bei konstanter Belastung der Brennstoffzelle 2 arbeitet die Fördereinrichtung 17 im Anodenkreislauf gleichmäßig und stellt einen konstanten Brennstoffmassenstrom bereit. Der Druckabfall, der sich in diesem Zustand zwischen den Drucksensoren 15, 16 einstellt, ist nun abhängig von folgenden Einflussfaktoren: der Stromentnahme der Brennstoffzelle 2, dem Brennstoffzufuhrstrom, Verluste über die Pumpendichtung, Verluste über die Brennstoffzellendichtung nach außen und Verluste durch die Membran 5 zum Kathodenraum 3.From the fuel storage here becomes fresh fuel by means of the fuel valve 10 the anode feed line 9 fed. At constant load of the fuel cell 2 the conveyor works 17 in the anode circuit uniformly and provides a constant fuel mass flow. The pressure drop that occurs in this state between the pressure sensors 15 . 16 is now dependent on the following factors: the current consumption of the fuel cell 2 , the fuel supply current, losses via the pump seal, losses via the fuel cell seal to the outside and losses through the membrane 5 to the cathode compartment 3 ,

Die Verluste über die Dichtungen der Brennstoffzelle 2 und dem Brennstoffzufuhrstrom können nach vorhergehender Charakterisierung prognostiziert werden und sind somit bekannt. Versetzt man das Brennstoffzellensystem 1 nun in einen Zustand, in dem für eine bestimmte Zeit ein konstanter Strom entnommen wird, so kann aus der Abweichung vom charakteristischen Druckabfall auf die Verluste durch die Membran 5 geschlossen werden. Vorzugsweise wird nur ein geringer Strom entnommen und der geförderte Brennstoffmassenstrom ist gering, so dass die Ermittlung der Permeationsrate nicht negativ beeinflusst wird. Auch hier kann dieser Zustand bei stark dynamischen Anwendungsfällen des Brennstoffzellensystems 1 durch Einsatz von Pufferspeichern erreicht werden.The losses over the seals of the fuel cell 2 and the fuel supply stream can be predicted after prior characterization and are thus known. If you put the fuel cell system 1 now in a state in which a constant current is taken for a certain time, so can the deviation from the characteristic pressure drop on the losses through the membrane 5 getting closed. Preferably, only a small stream is taken and the delivered fuel mass flow is low, so that the determination of the permeation rate is not adversely affected. Again, this state in highly dynamic applications of the fuel cell system 1 be achieved by using buffer storage.

Bei beiden Ausführungsbeispielen bleibt als Unbekannte nach eingehender Charakterisierung des Brennstoffzellensystems 1 die Veränderung der Permeationsrate der Membran 5. Da die Permeation von Reaktanden durch die Membran 5 abhängig von deren Dicke ist und diese wiederum abhängig vom Befeuchtungszustand ist, kann die Permeation der Membran 5 als Indikator für deren Befeuchtungszustand dienen.In both embodiments remains as unknown after detailed characterization of the fuel cell system 1 the change in the permeation rate of the membrane 5 , As the permeation of reactants through the membrane 5 depends on their thickness and this in turn depends of the moistening state, the permeation of the membrane 5 serve as an indicator of their moistening condition.

Wird bei der Durchführung des Verfahrens eine Verringerung der Permeationsrate ermittelt, d. h., die Membran 5 ist trockener geworden, so können anschließend mit geeigneten Systemeinrichtungen die zugeführten Reaktionsgase stärker befeuchtet werden. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 1 auch bei Bedarf mit Hilfe eines Energiespeichersystems, z. B. eine Batterie, in einem günstigeren Modus betrieben werden, in dem die Brennstoffzelle 2 durch Produktwasser befeuchtet wird.If a reduction in the permeation rate is determined when carrying out the method, ie, the membrane 5 has become drier, so then the supplied reaction gases can be moistened with appropriate system facilities stronger. Alternatively, the fuel cell system 1 also when needed with the help of an energy storage system, eg. As a battery to be operated in a cheaper mode in which the fuel cell 2 is moistened by product water.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
22: Brennstoffzellefuel cell
33: Kathodenraumcathode space
44: Anodenraumanode chamber
55: Membranmembrane
66: Zuluftleitungair supply
77: LuftzufuhreinheitAir supply unit
88th: Abluftleitungexhaust duct
99: BrennstoffzufuhrleitungFuel supply line
1010: Brennstoffventilfuel valve
1111: BrennstoffabfuhrleitungFuel discharge line
11.111.1: Rezirkulationsleitungrecirculation
1212: RezirkulationsfördereinheitRezirkulationsfördereinheit
1313: Abscheideeinheitseparation unit
1414: Ablassventildrain valve
1515: Drucksensorpressure sensor
1616: Drucksensorpressure sensor
1717: FördereinrichtungConveyor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2008/142564 A1 [0002]
DE 112007002429 T5 [0002]

Claims

Method for determining a moistening state of a membrane ( 5 ), in particular a proton exchange membrane, which has an anode space ( 4 ) from a cathode compartment ( 3 ) a fuel cell ( 2 ), wherein the anode space ( 4 ) is integrated into an anode circuit, wherein further - during operation of the fuel cell ( 2 ) a pressure drop in the anode circuit is determined and - based on a size of the determined pressure drop, the humidification state of the membrane ( 5 ), characterized in that - the pressure drop is determined when the fuel cell ( 2 ) is operated in a defined, known operating state.

A method according to claim 1, characterized in that the pressure drop is determined from a rate of pressure difference of a total pressure in the anode circuit when the anode circuit is formed as a closed anode circuit.

A method according to claim 1, characterized in that the pressure drop of a guided in the anode circuit, in particular of the fuel cell (based on a pressure difference between a detected pressure of a guided in the anode circuit fuel feed stream and a pressure detected 2 ), residual fuel flow is determined when the anode circuit is formed as an open anode circuit.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 2 ) is operated in the defined, known state with a constant electric current.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the defined, known state of the fuel cell ( 2 ) a separator unit ( 13 ) is deactivated for the separation of excess water from the anode circuit.

Fuel cell system ( 1 ), comprising - at least one fuel cell ( 2 ) with a cathode compartment ( 3 ), an anode compartment ( 4 ) and an interposed, the anode space ( 4 ) from the cathode compartment ( 3 ) separating membrane ( 5 ), An anode circuit into which the anode compartment ( 4 ) and - at least two pressure sensors ( 15 . 16 ), which are arranged in the anode circuit and for determining a pressure drop in the anode circuit during operation of the fuel cell ( 2 ) are provided, wherein based on a size of the determined pressure drop, a humidifying state of the membrane ( 5 ), characterized in that the fuel cell ( 2 ) for determining the moistening state of the membrane ( 5 ) is operable in a defined, known state.