AT522011A2 - Betriebsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Betriebsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (2), aufweisend ein Ermittlungsmodul (3) zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2), ein Analysemodul (4) zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle (2) auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonic Distortion Analysis und ein Kontrollmodul (5) zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle (2). Die Betriebsvorrichtung (1) weist ein Speichermodul (6) zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix auf, wobei das Kontrollmodul (5) Reaktionsmittel aufweist für einen kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle (2) auf Basis eines ermittelten Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) und der Signalreaktionsmatrix. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (14) zur Bereitstellung elektrischer Energie, ein Kraftfahrzeug (15) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (14).

Description

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PP32163AT AVL List GmbH
Betriebsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aufweisend ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle, ein Analysemodul zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonic Distortion Analysis (THDA) und ein Kontrollmodul zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie ein
Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen mittels Sensoren Betriebsparameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Spannung, Stromstärke, Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck, gemessen werden. Verlässt ein Betriebsparameter einen vorgegebenen Betriebsparameterbereich, sodass eine Betriebssicherheit der Brennstoffzelle gefährdet ist, muss die Brennstoffzelle zumeist abgeschaltet oder zumindest heruntergeregelt werden.
Aus der EP 2 845 255 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung kritischer Betriebszustände an einem Brennstoffzellen Stack bekannt. Mittels einer sogenannten „Total Harmonic Distortion Analysis“ (THDA) werden unterschiedlichen Betriebsparametern Verzerrungswerte zugeordnet, wobei die Verzerrungswerte mit steigender Abweichung vom jeweiligen SOLL-Betriebsparameter steigen. Ein relativ großer Verzerrungswert entspricht somit einer relativ großen Abweichung. Die
DE 10 2015 213 532 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung der Verunreinigung eines Filters einer Brennstoffzelle und insbesondere Techniken zur Bestimmung, ob ein Filter auszutauschen ist, wenn eine Verunreinigung einer Brennstoffzelle erkannt worden ist. Die Erkennung der Verunreinigung erfolgt mittels einer THDA, indem ein berechneter THD mit einem vorgegebenen THD-Grenzwert verglichen wird. Bei Überschreiten des THD-Grenzwerts wird von einem verunreinigten Filter ausgegangen, welcher ausgetauscht werden muss. Die
EP 3 038 199 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle,
einem Temperatursensor zum Messen einer Temperatur der Brennstoffzelle und
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einer Steuerungsvorrichtung zum Veranlassen der Brennstoffzelle, eine Wasserbilanz zu erhöhen, wenn die gemessene Temperatur einen Temperaturschwellwert übersteigt. Hierdurch wird ein Absenken der Temperatur bewirkt. Überdies weist das Brennstoffzellensystem ein Impedanzmessgerät zum Messen einer Impedanz der Brennstoffzelle auf, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgebildet ist, die Erhöhung der Wasserbilanz in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz durchzuführen, wenn die gemessene Impedanz einen
Impedanzschwellwert erreicht oder unterschreitet.
Bekannte Brennstoffzellensysteme sowie Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen haben den Nachteil, dass im Wesentlichen lediglich eine Ermittlung des „State of Operation“ (SOO) der Brennstoffzelle durchgeführt wird. Im Falle eines Überschreitens eines Betriebsparametergrenzwerts muss die Brennstoffzelle zumeist
heruntergefahren werden.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise einen Betrieb der Brennstoffzelle verbessern und eine zwangsweise Abschaltung der Brennstoffzelle
zumindest teilweise verhindern.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß Anspruch 8, das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 sowie das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug sowie dem
erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und
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jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle gelöst. Die Betriebsvorrichtung weist ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle, ein Analysemodul zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonic Distortion Analysis (THDA) und ein Kontrollmodul zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle auf. Erfindungsgemäß weist die Betriebsvorrichtung ein Speichermodul zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix auf, wobei das Kontrollmodul Reaktionsmittel aufweist für einen kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle auf Basis eines ermittelten Betriebszustands der Brennstoffzelle und der Signalreaktionsmatrix.
Mittels der Betriebsvorrichtung ist die Brennstoffzelle betreibbar. Das bedeutet, dass Betriebsparameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise ein Wasserstoffmassenstrom, ein Luftmassenstrom oder dergleichen, mittels der Betriebsvorrichtung gezielt beeinflussbar sind. Die Betriebsvorrichtung kann beispielsweise zum Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Das Ermittlungsmodul weist zum Ermitteln der Betriebsparameter der Brennstoffzelle vorzugsweise einen oder mehrere Sensoren und/oder eine oder mehrere Messvorrichtungen auf. Bevorzugte Sensoren sind ein Temperatursensor zum Messen einer Temperatur an und/oder in der Brennstoffzelle, ein Drucksensor zum Messen eines Drucks vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle, ein Feuchtesensor zum Messen einer Feuchte an und/oder in der Brennstoffzelle, insbesondere an einer Membran der Brennstoffzelle, einem Eingang der Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks, einem Ausgang der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks, oder dergleichen. Bevorzugte Messvorrichtungen sind beispielsweise ein Spannungsmesser zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle, ein Strommesser zum Messen eines elektrischen Stroms der Brennstoffzelle oder dergleichen. Das Ermittlungsmodul ist zudem ausgebildet, die vom Ermittlungsmodul ermittelten Betriebsparameter dem Analysemodul bereitzustellen.
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Im Rahmen der Erfindung ist unter einem Brennstoffzellenstack ein Brennstoffzellenstapel zu verstehen, welcher mehrere miteinander verbundene
und/oder verschaltete Brennstoffzellen aufweist.
Das Analysemodul ist zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle ausgebildet. Unter einem Betriebszustand der Brennstoffzelle wird im Rahmen der Erfindung der Betrag einer Abweichung von einem SOLL-Betriebswert verstanden. Ein hoher Wert eines Betriebszustands bedeutet demnach eine hohe Abweichung vom SOLL-Betriebswert. Hierfür ist das Analysemodul ausgebildet, ausgehend von den ermittelten Betriebsparametern eine Total Harmonic Distortion Analysis (THDA) durchzuführen. Das Resultat der THDA sind die Betriebszustände der Brennstoffzelle.
Das Speichermodul ist zum Speichern der Signalreaktionsmatrix ausgebildet. Vorzugsweise ist die Signalreaktionsmatrix bereits im Speichermodul gespeichert. Die Signalreaktionsmatrix ist eine Matrix, in welcher für mindestens einen ermittelten Betriebszustand mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme festgelegt ist. Die spezifischen Gegenmaßnahmen sind vorzugsweise derart festgelegt, dass diese zum Verbessern des jeweiligen Betriebszustands geeignet sind. Unter einem Verbessern des Betriebszustands wird auch ein Reduzieren des Werts des Betriebszustands verstanden.
Das Kontrollmodul ist zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle ausgebildet. Ferner ist das Kontrollmodul ausgebildet, die ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix zu vergleichen und somit in der Signalreaktionsmatrix festgelegte spezifische Gegenmaßnahmen, welche in der Signalreaktionsmatrix dem jeweiligen Betriebszustand zugeordnet sind, zu identifizieren. Vorzugsweise sind die
spezifischen Gegenmaßnahmen mittels des Kontrollmoduls durchführbar.
Die Betriebsvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, die Brennstoffzelle automatisch zu betreiben, sodass das Ermitteln der Betriebsparameter, das Ermitteln der Betriebszustände, das Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle, die Identifizierung sowie die Durchführung der geeigneten spezifischen Gegenmaßnahmen automatisch durchführbar sind. Somit ist die Betriebsvorrichtung ausgebildet, auf Abweichungen der Betriebsparameter fortlaufend zu reagieren, um
diese Abweichungen zu reduzieren.
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Die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle hat gegenüber herkömmlichen Betriebsvorrichtungen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Mittels der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung ist somit eine schnelle Reaktion auf Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw.
robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einer Betriebsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Signalreaktionsmatrix mindestens eine Signalart mit jeweils mehreren Betriebszustandsklassen aufweist, wobei den Betriebszustandsklassen jeweils unterschiedliche Betriebszustandsspektren der Total Harmonic Distortion Analysis zugeordnet sind, und wobei den einzelnen Betriebszustandsklassen jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Unter einer Signalart wird im Rahmen der Erfindung ein Fehlerzustand der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Tröpfchenbildung, Austrocknung, unzureichende Medienzufuhr oder dergleichen, verstanden. Das Vorliegen einer Signalart ist über Parameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Temperatur, elektrische Spannung bzw. elektrischer Strom, Druck, Feuchtigkeit oder dergleichen, ermittelbar. Vorzugsweise sind diese Parameter in der Singalreaktionsmatrix aufgeführt und den Signalarten zugeordnet. Die Betriebszustandsklassen einer Signalart decken jeweils ein Betriebszustandsspektrum ab, wobei die Betriebszustandsspektren vorzugsweise keine Überschneidungen aufweisen. Bevorzugte Betriebszustandsspektren erstrecken sich von 1-30%, 31-60% sowie 61-100% THD. Ein konkreter Betriebszustand ist somit höchstens einer Betriebszustandsklasse zuordenbar. Weiter bevorzugt sind die verschiedenen Betriebszustandsspektren kontinuierlich sowie miteinander stetig ausgebildet, sodass ein konkreter Betriebszustand somit einer Betriebszustandsklasse eindeutig zuordenbar ist. Den Betriebszustandsklassen ist Jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsvorrichtung mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ausgebildet ist, auf Basis eines ermittelten
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Betriebszustands eine besonders geeignete Gegenmaßnahme zum Verbessern des
Betriebszustands zu identifizieren sowie durchzuführen.
Es ist bevorzugt, dass in der Signalreaktionsmatrix die spezifischen Gegenmaßnahmen unterschiedliche Intensitäten aufweisen, wobei die spezifischen Gegenmaßnahmen den Betriebszustandsklassen derart zugeordnet sind, dass die Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer höheren Betriebszustandsklasse größer oder gleich der Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer niedrigeren Betriebszustandsklasse ist. Die spezifischen Gegenmaßnahmen sind demnach derart in der Signalreaktionsmatrix aufgeführt, dass bei verhältnismäßig geringen Abweichungen der Betriebsparameter von SOLL-Betriebsparametern entsprechende spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, welche einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf die Veränderung des jeweiligen Betriebsparameters haben. Bei größeren Abweichungen der Betriebsparameter von SOLL-Betriebsparametern sind entsprechende spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar, welche einen verhältnismäßig großen Einfluss auf die Veränderung des jeweiligen Betriebsparameters haben. Dies hat den Vorteil, dass eine Überkorrektur der Brennstoffzelle vermeidbar ist. Unter einer Überkorrektur wird im Rahmen der Erfindung insbesondere die Durchführung einer Gegenmaßnahme verstanden, welche zunächst eine Verbesserung bis zum Optimalzustand bewirkt und anschließend eine übermäßige Verschlechterung des Betriebsparameters über den Optimalzustand hinweg bewirkt. Bei der Detektion einer zu hohen Feuchtigkeit kann als Gegenmaßnahme beispielsweise Wasser über einen Befeuchter-Bypass an einem Befeuchter vorbeigeführt und somit der Brennstoffzelle abgeführt werden. Wird zu viel Wasser abgeführt, besteht das Risiko eines Austrocknens der Brennstoffzelle. Mittels einer derartigen Signalreaktionsmatrix ist auf vorteilhafte Weise stets eine verhältnismäßig moderate sowie dem Betriebszustand
angemessene Gegenmaßnahme identifizierbar.
Weiter bevorzugt weist die Signalreaktionsmatrix für mindestens eine Betriebszustandsklasse mehrere unterschiedliche spezifische Gegenmaßnahmen auf. Auf diese Weise wird der Tatsache Rechnung getragen, dass verschiedene spezifische Gegenmaßnahmen geeignet sein können, um einen Betriebszustand zu verbessern. Bei einer zu feuchten Brennstoffzelle können zum Trocknen beispielsweise Wasser über einen Befeuchter-Bypass an einem Befeuchter
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vorbeigeführt und somit der Brennstoffzelle abgeführt werden. Zudem kann die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise optimierbar ist.
Vorzugsweise sind die unterschiedlichen spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse in der Signalreaktionsmatrix hierarchisch gegliedert. Auf Basis der hierarchischen Gliederung sind die spezifischen Gegenmaßnahmen sukzessive auswählbar und durchführbar. Sollte sich die Betriebszustandsklasse nach Durchführen einer am höchsten hierarchisierten spezifischen Gegenmaßnahme nicht verbessern, kann somit die in der Hierarchie folgende spezifische Gegenmaßnahme ausgewählt und durchgeführt werden, usw. Die Betriebsvorrichtung ist somit ausgebildet, auf unerwartete Ereignisse, wie beispielsweise eine zu geringe Verbesserung des Betriebszustands als Folge der Durchführung einer spezifischen Gegenmaßnahme, entsprechend zu reagieren, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle stets auf eine moderate Weise zu
verbessern.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die mindestens eine Signalart eine Tröpfchenbildung innerhalb der Brennstoffzelle und/oder ein Austrocknen einer Membran der Brennstoffzelle und/oder eine unzureichende Luftzufuhr der Brennstoffzelle und/oder eine unzureichende Brennstoffzufuhr der Brennstoffzelle umfasst. Erfindungsgemäß können eine unzureichende Luftzufuhr und eine unzureichende Brennstoffzufuhr auch als unzureichende Betriebsmittelzufuhr zusammengefasst werden. Hierbei ist eine einzelne Erfassung von Luftmassenstrom und Brennstoffmassenstrom, insbesondere Wasserstoffmassenstrom, nicht erforderlich. Diese Signalarten sind für den Betrieb der Brennstoffzelle wesentlich und stellen daher in einem Störfall der Brennstoffzelle die wichtigsten zu kontrollierenden Signalarten dar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Ermittlungsmodul einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle, insbesondere vor, in und/oder hinter der Brennstoffzelle, und/oder einen Drucksensor zum Ermitteln eines Drucks der Brennstoffzelle, insbesondere vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle, und/oder einen Luftmassenstromsensor zum Ermitteln eines Luftmassenstroms der Brennstoffzelle und/oder einen
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Brennstoffmassenstromsensor zum Ermitteln eines Brennstoffmassenstroms der Brennstoffzelle und/oder einen Feuchtesensor zum Ermitteln einer Feuchte, insbesondere einer Membran, im Inneren der Brennstoffzelle und/oder einen Spannungsmesser zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle und/oder einen Strommesser zum Messen einer elektrischen Stromstärke der Brennstoffzelle auf. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Brennstoffmassenstromsensor zum Ermitteln eines der Brennstoffzelle zugeführten Betriebsmittelmassenstroms ausgebildet ist, wobei der Betriebsmittelmassenstrom Luft bzw. Sauerstoff und Brennstoff bzw. Wasserstoff aufweist. Der Feuchtesensor ist vorzugsweise zum Messen der Feuchte am Brennstoffzellenstackeingang und/oder innerhalb der Brennstoffzelle und/oder am Brennstoffzellenstackausgang ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ können auch Luftvolumenstromsensoren sowie Brennstoffvolumenstromsensoren verwendet werden. Mittels derartiger Sensoren sind die wesentlichen Betriebsparameter der Brennstoffzelle ermittelbar
bzw. messbar.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie gelöst. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und eine erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung zum Betreiben der Brennstoffzelle auf. Die Brennstoffzelle ist vorzugsweise gemäß einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit einer Membran, einer Anode, einer Kathode, einer Brennstoffzufuhr, einer Sauerstoffzufuhr sowie einer Wasserabfuhr ausgebildet. Die Wasserabfuhr ist beispielsweise über einen Kathodenpfad und/oder Anodenpfad der Brennstoffzelle realisiert. Es ist bevorzugt, dass das Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem zum Kühlen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks aufweist. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen auf, welche vorzugsweise zu einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks zusammengefasst sind. Hierbei ist es bevorzugt, dass eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben mehrerer Brennstoffzellen bzw. eines oder mehrerer Brennstoffzellenstacks ausgebildet und eingerichtet ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem mehrere erfindungsgemäße Betriebsvorrichtungen aufweist, welche jeweils zum Betreiben
einer oder mehrerer Brennstoffzellen ausgebildet und eingerichtet sind.
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Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist somit eine schnelle Reaktion auf Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein
längerer bzw. robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, gelöst. Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug mindestens eine Batterie zum Speichern bzw. Zwischenspeichern der von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellten elektrischen Energie auf.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist somit eine schnelle Reaktion auf Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw.
robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
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- Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle mittels des Ermittlungsmoduls der Betriebsvorrichtung,
- Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle mittels des Analysemoduls der Betriebsvorrichtung auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels der Total Harmonic Distortion Analysis,
- Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit einer in dem Speichermodul gespeicherten Signalreaktionsmatrix zum Identifizieren einer spezifischen Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands mittels des Kontrollmoduls, und
- Kontrollieren der Brennstoffzelle auf Basis der identifizierten Gegenmaßnahme mittels des Kontrollmoduls.
Das Ermitteln der Betriebsparameter erfolgt beispielsweise mittels mindestens eines Sensors des Ermittlungsmoduls. Als Betriebsparameter werden beispielsweise eine Messung einer Temperatur der Brennstoffzelle mittels eines Temperatursensors, ein Messen eines Drucks vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle mittels eines Drucksensors, ein Messen einer Feuchte vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle, insbesondere an einer Membran der Brennstoffzelle, mittels eines Feuchtesensors, ein Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle mittels eines Spannungsmessers oder ein Messen eines elektrischen Stroms der Brennstoffzelle mittels eines Strommessers verwendet. Die ermittelten
Betriebsparameter werden vom Ermittlungsmodul dem Analysemodul bereitgestellt.
Das Ermitteln der Betriebszustände der Brennstoffzelle erfolgt mittels des Analysemodus. Unter einem Betriebszustand der Brennstoffzelle wird im Rahmen der Erfindung der Betrag einer Abweichung von einem SOLL-Betriebswert verstanden. Ein hoher Wert eines Betriebszustands bedeutet demnach eine hohe Abweichung vom SOLL-Betriebswert. Im Rahmen der Ermittlung der Betriebszustände führt das Analysemodul ausgehend von den ermittelten Betriebsparametern eine Total Harmonic Distortion Analysis (THDA) durch. Das Resultat der THDA sind die Betriebszustände der Brennstoffzelle.
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Das Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix erfolgt mittels des Kontrollmoduls. Auf diese Weise werden in der Signalreaktionsmatrix festgelegte spezifische Gegenmaßnahmen, welche in der Signalreaktionsmatrix dem jeweiligen Betriebszustand zugeordnet sind, identifiziert.
Unter Berücksichtigung der identifizierten spezifischen Gegenmaßnahme kontrolliert das Kontrollmodul im Anschluss die Brennstoffzelle. Hierbei wird die identifizierte Gegenmaßnahme durchgeführt. Es kann vorgesehen sein, dass das Kontrollmodul die Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der identifizierten spezifischen Gegenmaßnahme regelt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise iterativ durchgeführt, um eine kontinuierliche Verbesserung des Betriebszustands sowie eine schnelle Reaktion auf eine Verschlechterung des Betriebszustands zu
erzielen.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit eine schnelle Reaktion auf Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw. robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Es ist bevorzugt, dass beim Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix mindestens ein ermittelter Betriebszustand einer in der Signalreaktionsmatrix definierten Betriebszustandsklasse zugeordnet wird, wobei die spezifische Gegenmaßnahme identifiziert wird, welche in der Signalreaktionsmatrix derselben Betriebszustandsklasse zugeordnet ist. Die Signalreaktionsmatrix weist mindestens eine Signalart mit jeweils mehreren Betriebszustandsklassen auf, wobei den Betriebszustandsklassen jeweils unterschiedliche Betriebszustandsspektren der Total Harmonic Distortion Analysis zugeordnet sind, und wobei den einzelnen Betriebszustandsklassen jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Unter einer Signalart wird im Rahmen der Erfindung ein Parameter der Brennstoffzelle, wie bei-
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spielsweise Temperatur, Spannung, Druck, Feuchtigkeit oder dergleichen, verstanden. Die Betriebszustandsklassen einer Signalart decken jeweils ein Betriebszustandsspektrum ab, wobei die Betriebszustandsspektren vorzugsweise keine Überschneidungen aufweisen. Ein konkreter Betriebszustand ist somit höchstens einer Betriebszustandsklasse zuordenbar. Weiter bevorzugt sind die verschiedenen Betriebszustandsspektren kontinuierlich sowie miteinander stetig ausgebildet, sodass ein konkreter Betriebszustand somit einer Betriebszustandsklasse eindeutig zuordenbar ist. Den Betriebszustandsklassen ist jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass auf Basis des ermittelten Betriebszustands eine besonders geeignete Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands identifiziert und vorzugsweise auch durchgeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein wiederholtes Ermitteln des Betriebszustands der Brennstoffzelle mittels des Analysemoduls, wobei in dem Fall, dass der ermittelte Betriebszustand durch die spezifische Gegenmaßnahme keine vorbestimmte minimale Verbesserung aufweist, eine Intensität der Gegenmaßnahme verstärkt wird. Das Verfahren wird demnach vorzugsweise fortlaufend während des Betriebs der Brennstoffzelle durchgeführt. In Abhängigkeit eines Grads einer Reaktion des Betriebszustands auf die zunächst durchgeführte spezifische Gegenmaßnahme ist bestimmbar, ob die aktuelle Intensität dieser Gegenmaßnahme geeignet ist, den Betriebszustand ausreichend zu verbessern. Wird festgestellt, dass der Grad der Reaktion zu gering ist, die vorbestimmte minimale Verbesserung also nicht erreicht wird, wird die Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme erhöht, um somit eine größere Verbesserung des Betriebszustands der Brennstoffzelle zu bewirken. Wenn als Gegenmaßnahme beispielsweise eine Temperatur erhöht wird, dann bedeutet eine Erhöhung der Intensität der Gegenmaßnahme eine weitere Erhöhung der Temperatur. Beim Kühlen bedeutet eine Erhöhung der Intensität eine verstärkte Kühlung. Dies hat den Vorteil, dass die Auswirkungen der Gegenmaßnahmen überwacht und bei unzureichender Verbesserung des Betriebszustands die Gegenmaßnahmen mit höherer Intensität durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden die spezifischen Gegenmaßnahmen gemäß einer Hierarchie zwischen mehreren spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse ausgewählt, wobei zunächst die am höchsten priorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt und bei einer zu geringen Verbesserung des Be-
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triebszustands die nächstpriorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Verfahren iterativ durchgeführt wird. Wenn eine durchgeführte spezifische Gegenmaßnahme beispielsweise bereits mit höchster Intensität durchgeführt wird und die Verbesserung des Betriebszustands zu gering ist, wird somit eine zusätzliche Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands identifiziert und durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass eine Verbesserung des Betriebszustands mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise besser erzielbar ist.
Weiter bevorzugt werden sämtliche spezifische Gegenmaßnahmen einer Betriebszustandsklasse gemäß ihrer Hierarchisierung solange sukzessive durchgeführt, bis der Betriebszustand einen vordefinierten Betriebszustandsschwellwert erreicht. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass nach dem Initiieren einer ersten Gegenmaßnahme, welche die höchste Hierarchiestufe aufweist, eine Reaktionszeitspanne bis zum Initiieren einer zweiten Gegenmaßnahme, welche die nächsthöhere Hierarchiestufe aufweist, definiert ist, um zunächst eine Reaktion der Brennstoffzelle auf die erste Gegenmaßnahme abzuwarten. Demnach wird zunächst die erste Gegenmaßnahme ausgeführt und analysiert, ob der vordefinierte Betriebszustandsschwellwert nach Ablauf der Reaktionszeitspanne bereits erreicht wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die zweite Gegenmaßnahme initiiert, usw. Dabei kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Gegenmaßnahmen zumindest teilweise parallel durchgeführt werden. Die erste Gegenmaßnahme kann beispielsweise auch nach Initiieren der zweiten Gegenmaßnahme fortgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein effizientes Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle gewährleistet ist.
Es ist bevorzugt, dass als spezifische Gegenmaßnahme bei zu hoher Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht, das Abführen feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass erhöht, ein Druck in der Brennstoffzelle abgesenkt oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle gesenkt wird, und/oder dass bei zu geringer Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle eine Temperatur der Brennstoffzelle gesenkt, das Abführen feuchter Luft über den Befeuchter-Bypass reduziert, ein Druck in der Brennstoffzelle erhöht oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle erhöht wird. Vorzugsweise wird bei zu hoher Feuchtigkeit zusätzlich oder alternativ ein Betriebs-
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mittelmassenstrom erhöht. Diese spezifischen Gegenmaßnahmen sind besonders
geeignet, um die jeweiligen Betriebszustände zu verbessern.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems,
Figur2 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
Figur3 eine bevorzugte Signalreaktionsmatrix für die Signalart „Tröpfchenbildung“,
Figur4 eine bevorzugte Signalreaktionsmatrix für die Signalart „Austrocknen“,
Figur5 eine bevorzugte Signalreaktionsmatrix für die Signalart „unzureichende Medienzufuhr“, und
Figur6 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 14 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 14 weist eine Brennstoffzelle 2 zum Erzeugen von elektrischem Strom sowie eine Betriebsvorrichtung 1 zum Betreiben der Brennstoffzelle 2 auf. Die Betriebsvorrichtung 1 weist ein Ermittlungsmodul 3 zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle 2, ein Analysemodul 4 zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle 2 auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonic Distortion Analysis, ein Speichermodul 6 zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix (vgl. Fig. 3 — 5) und ein Kontrollmodul 5 zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle 2 sowie zu einem kontrollierenden
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Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle 2 auf Basis eines ermittelten Betriebszustands der Brennstoffzelle 2 und der Signalreaktionsmatrix auf. Das Ermittlungsmodul 3 weist einen Temperatursensor 7 zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle 2, einen Drucksensor 8 zum Ermitteln eines Drucks innerhalb der Brennstoffzelle 2, einen Luftmassenstromsensor 9 zum Ermitteln eines Luftmassenstroms der Brennstoffzelle 2, einen optionalen Brennstoffmassenstromsensor 10 zum Ermitteln eines Brennstoffmassenstroms der Brennstoffzelle 2, einen Feuchtesensor 11 zum Ermitteln einer Feuchte der Brennstoffzelle 2, beispielsweise an einem Eingang oder Ausgang der Brennstoffzelle, einen Spannungsmesser 12 zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle 2 sowie einen Strommesser 13 zum Messen einer
elektrischen Stromstärke der Brennstoffzelle auf.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 15 schematisch in einer Seitenansicht. Das Kraftfahrzeug 15 weist einen Elektromotor 16 auf, welcher zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 15 ausgebildet ist. Ferner weist das Kraftfahrzeug ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 14 zum Bereitstellen elektrischer Energie auf.
In Fig. 3 bis Fig. 5 sind bevorzugte Signalreaktionsmatrizen für die Signalarten „Tröpfchenbildung“, „Austrocknen“ und „unzureichende Medienzufuhr“ abgebildet. Die Signalreaktionsmatrizen weisen jeweils die Betriebszustandsklassen „low“, „medium“ und „high“ auf, welche in der als „Range“ bezeichneten Spalte aufgeführt sind. Zu den Betriebszustandsklassen zugehörige Betriebszustandsspektren sind in der Spalte „THD“ aufgelistet.
Im Folgenden wird die Signalreaktionsmatrix an Beispielen näher erläutert. Die Signalreaktionsmatrix aus Fig. 3 betrifft die Tröpfchenbildung innerhalb der Brennstoffzelle 2. Wenn die THDA beispielsweise ergibt, dass ein Wert des Betriebszustands für Tröpfchenbildung 25% beträgt, wird die Betriebszustandsklasse „low“ bestimmt, da das Betriebszustandsspektrum dieser Betriebszustandsklasse die Betriebszustände von 1-30% umfasst. Die mit der Ziffer 1 bezeichnete und somit am höchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Erhöhung der Temperatur, sofern die Brennstoffzelle eine vorgegebene Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Die mit der Ziffer 2 bezeichnete und somit am zweithöchsten hierarchisierte
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Gegenmaßnahme ist eine Reduzierung der Feuchtigkeit durch Erhöhen eines durch einen Befeuchter-Bypass strömenden Abgasmassenstroms.
Die Signalreaktionsmatrix aus Fig. 4 betrifft das Austrocknen der Brennstoffzelle 2. Wenn die THDA beispielsweise ergibt, dass ein Wert des Betriebszustands für Austrocknen 50% beträgt, wird die Betriebszustandsklasse „medium“ bestimmt, da das Betriebszustandsspektrum dieser Betriebszustandsklasse die Betriebszustände von 31-60% umfasst. Die mit der Ziffer 1 bezeichnete und somit am höchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Reduzierung des durch den BefeuchterBypass strömenden Abgasmassenstroms. Somit wird mehr Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 2 zurückgeführt. Die mit der Ziffer 2 bezeichnete und somit am zweithöchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Erhöhung der Stromstärke der Brennstoffzelle 2.
Die Signalreaktionsmatrix aus Fig. 5 betrifft eine unzureichende Medienzufuhr der Brennstoffzelle 2. Eine unzureichende Medienzufuhr besteht beispielsweise bei einer unzureichenden Luftversorgung und/oder einer unzureichenden Brennstoff- bzw. Wasserstoffversorgung. Wenn die THDA beispielsweise ergibt, dass ein Wert des Betriebszustands für unzureichende Medienzufuhr 65% beträgt, wird die Betriebszustandsklasse „high“ bestimmt, da das Betriebszustandsspektrum dieser Betriebszustandsklasse die Betriebszustände von über 60% umfasst. Die mit der Ziffer 1 bezeichnete und somit am höchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Reduzierung der Stromstärke der Brennstoffzelle 2.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 6 in einem Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 100 ermittelt das Ermittlungsmodul 3 der Betriebsvorrichtung 1 Betriebsparameter der Brennstoffzelle 2. Dies kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors 7 und/oder Drucksensors 8 und/oder Luftmassenstromsensors 9 und/oder Brennstoffmassenstromsensors 10 und/oder Feuchtesensors 11 und/oder Spannungsmessers 12 und/oder Strommessers 13 erfolgen. In einem zweiten Verfahrensschritt 200 ermittelt das Analysemodul 4 der Betriebsvorrichtung 1 auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels der THDA Betriebszustände der Brennstoffzelle 2. Hierbei wird mindestens ein Betriebszustand ermittelt. Vorzugsweise werden Betriebszustände für mehrere, insbesondere sämtliche verfügbare, Signalarten, insbesondere Tröpfchenbildung, Austrocknen und
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unzureichende Betriebsmittelzufuhr, ermittelt. In einem dritten Verfahrensschritt 300 vergleicht das Kontrollmodul 5 der Betriebsvorrichtung 1 die ermittelten Betriebszustände mit einer in dem Speichermodul 6 gespeicherten Signalreaktionsmatrix. Auf diese Weise identifiziert das Kontrollmodul 5 eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle 2. Bei einem Betriebszustand mit einem THD-Wert von 0% liegt keine Betriebsstörung der Brennstoffzelle 2 für die jeweilige Signalart vor. In einem vierten Verfahrensschritt 400 kontrolliert das Kontrollmodul 5 die Brennstoffzelle 2 auf Basis der identifizierten Gegenmaßnahme. Das bedeutet, dass die identifizierte Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands durchgeführt wird. Das Kontrollieren kann auch als Regeln der Brennstoffzelle 2 erfolgen.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 Betriebsvorrichtung 2 Brennstoffzelle
3 Ermittlungsmodul
4 Analysemodul
5 Kontrollmodul
6 Speichermodul
7 Temperatursensor 8 Drucksensor 9 Luftmassenstromsensor
10 Brennstoffmassenstromsensor 11 Feuchtesensor
12 Spannungsmesser
13 Strommesser
14 Brennstoffzellensystem 15 Kraftfahrzeug
16 Elektromotor
100 erster Verfahrensschritt 200 zweiter Verfahrensschritt 300 dritter Verfahrensschritt 400 vierter Verfahrensschritt

Claims (15)

Patentansprüche
1. Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (2), aufweisend ein Ermittlungsmodul (3) zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2), ein Analysemodul (4) zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle (2) auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonic Distortion Analysis und ein Kontrollmodul (5) zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsvorrichtung (1) ein Speichermodul (6) zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix aufweist, wobei das Kontrollmodul (5) Reaktionsmittel aufweist für einen kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle (2) auf Basis eines ermittelten Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) und der Signalreaktionsmatrix.
2. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalreaktionsmatrix mindestens eine Signalart mit jeweils mehreren Betriebszustandsklassen aufweist, wobei den Betriebszustandsklassen jeweils unterschiedliche Betriebszustandsspektren der Total Harmonic Distortion Analysis zugeordnet sind, und wobei den einzelnen Betriebszustandsklassen jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des
Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) zugeordnet ist.
3. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Signalreaktionsmatrix die spezifischen Gegenmaßnahmen unterschiedliche Intensitäten aufweisen, wobei die spezifischen Gegenmaßnahmen den Betriebszustandsklassen derart zugeordnet sind, dass die Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer höheren Betriebszustandsklasse größer oder gleich der Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer niedrigeren Betriebszustandsklasse ist.
4. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalreaktionsmatrix für mindestens eine Betriebszustandsklasse mehrere unterschiedliche spezifische Gegenmaßnahmen aufweist.
5. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse in der Signalreaktionsmatrix hierarchisch gegliedert sind.
6. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Signalart eine Tröpfchenbildung innerhalb der Brennstoffzelle (2) und/oder ein Austrocknen einer Membran der Brennstoffzelle (2) und/oder eine unzureichende Luftzufuhr der Brennstoffzelle (2) und/oder
eine unzureichende Brennstoffzufuhr der Brennstoffzelle (2) umfasst.
7. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermittlungsmodul (3) einen Temperatursensor (7) zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Drucksensor (8) zum Ermitteln eines Drucks der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Luftmassenstromsensor (9) zum Ermitteln eines Luftmassenstroms der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Brennstoffmassenstromsensor (10) zum Ermitteln eines Brennstoffmassenstroms der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Feuchtesensor (11) zum Ermitteln einer Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Spannungsmesser (12) zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Strommesser (13) zum Messen einer elektrischen Stromstärke der Brennstoffzelle (2) aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (14) zur Bereitstellung elektrischer Energie, aufweisend eine Brennstoffzelle (2) und eine Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Kraftfahrzeug (15) mit einem Brennstoffzellensystem (14) nach Anspruch 8 zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor (16) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (15) unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem (14) bereitgestellt wird.
10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (14) nach Anspruch 8, aufweisend die folgenden Schritte:
- Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2) mittels des Ermittlungsmoduls (3) der Betriebsvorrichtung (1),
- Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle (2) mittels des Analysemoduls (4) der Betriebsvorrichtung (1) auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels der Total Harmonic Distortion Analysis,
- Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit einer in dem Speichermodul (6) gespeicherten Signalreaktionsmatrix zum Identifizieren einer spezifischen Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands mittels des Kontrollmoduls (5), und
- Kontrollieren der Brennstoffzelle (2) auf Basis der identifizierten Gegenmaßnahme mittels des Kontrollmoduls (5).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix mindestens ein ermittelter Betriebszustand einer in der Signalreaktionsmatrix definierten Betriebszustandsklasse zugeordnet wird, wobei die spezifische Gegenmaßnahme identifiziert wird, welche in der Signalreaktionsmatrix derselben Betriebszustandsklasse zugeordnet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein wiederholtes Ermitteln des Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) mittels des Analysemoduls (4) erfolgt, wobei in dem Fall, dass der ermittelte Betriebszustand durch die spezifische Gegenmaßnahme keine vorbestimmte minimale Verbesserung aufweist, eine Intensität der Gegenmaßnahme verstärkt
wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die spezifischen Gegenmaßnahmen gemäß einer Hierarchie zwischen mehreren spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse ausgewählt werden, wobei zunächst die am höchsten priorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt und bei einer zu geringen Verbesserung des Betriebszustands die nächstpriorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche spezifische Gegenmaßnahmen einer Betriebszustandsklasse gemäß ihrer Hierarchisierung solange sukzessive durchgeführt werden, bis der Betriebszustand einen vordefinierten Betriebszustandsschwellwert erreicht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
als spezifische Gegenmaßnahme bei zu hoher Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle (2) eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht, das Abführen feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass erhöht, ein Druck in der Brennstoffzelle (2) abgesenkt oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle (2) gesenkt wird, und/oder dass bei zu geringer Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle (2) eine Temperatur der Brennstoffzelle (2) gesenkt, das Abführen feuchter Luft über den Befeuchter-Bypass reduziert, ein Druck in der Brennstoffzelle (2) erhöht oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle (2) erhöht wird.
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