AT528578B1 - Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer minimalen Zellspannung von in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) von in einem Brennstoffzellenstapel (110) eines Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Brennstoffzellen (112), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: ‐ Messen von Kanal-Spannungen (KV) für wenigstens zwei Messkanäle (MK) mit je wenigstens zwei in Serie vermessenen Brennstoffzellen (112), ‐ Ermitteln einer Risiko-Zellspannung (RV) unter Nutzung eines Risiko-Zusammenhangs (RZ), ‐ Indirektes Bestimmen einer Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) für alle Brennstoffzellen (112) des Brennstoffzellenstapels (110) auf Basis der gemessenen Kanal-Spannungen (KV) und der Risiko-Zellspannung (RV), ‐ Ausgeben der indirekt bestimmten Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) als Ausgabe-Minimalspannung (AV-MIN).

Description

Beschreibung

BESTIMMUNGSVERFAHREN FÜR EINE BESTIMMUNG EINER MINIMALEN ZELLSPANNUNG VON IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSTAPEL EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS ANGEORDNETEN BRENNSTOFFZELLEN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer minimalen Zellspannung von in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen, eine Bestimmungsvorrichtung zur Durchführung eines solchen Bestimmungsverfahrens, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Bestimmungsverfahrens sowie ein Kontrollverfahren zur Kontrolle eines Brennstoffzellensystems unter Nutzung des Bestimmungsverfahrens.

[0002] Es ist bekannt, dass in Brennstoffzellensystemen die Kenntnis über die Zellspannung der einzelnen Brennstoffzellen für eine stabile Kontrolle des Brennstoffzellensystems wichtig ist. Insbesondere soll durch Regeleingriffe verhindert werden, dass die Zellspannung der einzelnen Brennstoffzellen einen vordefinierten Korridor verlässt. Zu hohe Zellspannungen der Brennstoffzellen, insbesondere jedoch zu niedrige Zellspannungen der Brennstoffzellen, können zu starken Alterungsvorgängen und insbesondere sogar zu irreversiblen Schädigungen führen. Es kann sogar vorkommen, dass je nach Betriebssituation einzelne Brennstoffzellen eine Umkehrung der Zellspannung erfahren, sodass eine negative Auswirkung auf weitere Komponenten innerhalb dieser Brennstoffzelle zu erwarten ist.

[0003] Bekannte Bestimmungsverfahren müssen daher die Zellspannungen der Brennstoffzellen erfassen, um entsprechend Reaktionen durch Regeleingriffe zielgerichtet ausführen zu können. Eine Möglichkeit ist es dabei, dass eine Überwachung aller Brennstoffzellen im Einzelnen durchgeführt wird. Konstruktiv führt dies dazu, dass für jede einzelne Brennstoffzelle auch tatsächlich konstruktiv ein spezifischer Zellspannungssensor vorgesehen werden muss. Dies führt dazu, dass eine exakte Kenntnis über alle Zellspannungen aller Brennstoffzellen vorliegt und entsprechend genau geregelt werden kann.

[0004] Jedoch muss bei den bekannten Lösungen ein sehr hoher Aufwand betrieben werden, um die Zellspannungen tatsächlich an jeder Brennstoffzelle messen zu können. Nicht zuletzt ist neben dem hohen Kostenaufwand, der Vielzahl der Spannungssensoren auch der Verkabelungsaufwand wesentlich, da jeder einzelne Brennstoffzellensensor zur Erfassung der jeweiligen Zellspannung mit einer Auswerteinheit kabelgebunden verbunden werden muss.

[0005] Auch ist es bekannt, dass nur gruppenweise Zellspannungen erfasst werden. Solche Gruppen können auch als Messkanäle bezeichnet werden, sodass beispielsweise immer zwei, drei oder mehrere, insbesondere benachbarte Brennstoffzellen zu einer Brennstoffzellengruppe zusammengefasst sind. Beim Abgreifen der Zellspannung einer solchen Gruppe an Brennstoffzellen erfolgt sozusagen eine serielle Messung, die Zellspannung der einzelnen Brennstoffzellen wird bei dieser zusammengefassten Messung für jeden Messkanal nur als Summe bestimmbar. Mit anderen Worten misst jeder Messkanal die gesamte Zellspannung einer solchen Brennstoffzellengruppe und gibt keine Information über die tatsächliche Verteilung der gemessenen Spannungssumme auf die einzelnen Brennstoffzellen aus. Bei den bekannten Lösungen wird daher üblicherweise ein Mittelwert gebildet, und dieser Mittelwert für jede Gruppe an Brennstoffzellen für jeden Messkanal als Zellspannung für alle Brennstoffzellen dieser Gruppe an Brennstoffzellen im Messkanal gesetzt.

[0006] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass für die Erfassung jeder einzelnen Zellspannung aller Brennstoffzellen ein sehr hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden muss. Bei einer Reduktion dieses konstruktiven Aufwandes durch die Zusammenfassung von mehreren Brennstoffzellen zu gruppierten Messkanälen, wird ein Messfehler in Kauf genommen, welcher insbesondere dann relevant ist, wenn bei einer Brennstoffzellengruppe in einem Messkanal eine einzige Brennstoffzelle einen sehr niedrigen Wert annimmt. Dann kann, insbesondere bei einer größeren Anzahl von Brennstoffzellen in diesem Messkanal, der Mittelwert bei der Aus-

wertung deutlich höher liegen als die reale minimale Zellspannung in diesem Messkanal. Dies führt also zu einem falsch-negativen Ergebnis und kann dementsprechend nicht zu der in der Realität eigentlich benötigten Gegenregelung durch einen Regeleingriff führen. Es besteht also das Risiko, dass bei dieser bekannten Kontrollweise eine sehr niedrige Zellspannung durch die Auswertung übersehen wird und ein falsch-negatives Ergebnis der Kontrolle des Brennstoffzellensystems zugrunde gelegt wird.

[0007] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine stabile Überwachung der einzelnen Zellspannungen zu ermöglichen.

[0008] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Bestimmungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 14, eine Bestimmungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie ein Regelverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung, im erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sowie dem erfindungsgemäßen Regelverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0009] Ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren dient der Bestimmung einer Minimal-Zellspannung von in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen. Dieses Bestimmungsverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Messen von Kanal-Spannungen für wenigstens zwei Messkanäle mit je wenigstens zwei in Serie vermessenen Brennstoffzellen,

- Ermitteln einer Risiko-Zellspannung unter Nutzung eines Risiko-Zusammenhangs,

- iIndirektes Bestimmen einer Minimal-Zellspannung für alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemessenen Kanal-Spannungen und der Risiko-Zellspannung,

- Ausgeben der indirekt bestimmten Minimal-Zellspannung als Ausgabe-Minimalspannung.

[0010] Erfindungsgemäß soll nun ein Bestimmungsverfahren verwendet werden, welches auf der einfacheren Bauweise der Sensorik unter Nutzung von Messkanälen mit mehreren Brennstoffzellen basiert und trotzdem die Genauigkeit bei der Ausgabe der Ausgabe-Minimalspannung die bekannten Lösungen übertrifft. Dies wird durch die Kombination von realen, also physischen Messvorgängen und einem indirekten Messverfahren erzielt. Nachfolgend wird erläutert, wie diese Kombination aus direktem und indirektem Messverfahren zu den erfindungsgemäßen Vorteilen führt und insbesondere die Regelung des Brennstoffzellensystems verbessert.

[0011] Unter Brennstoffzellen im Rahmen der Erfindung sind Einzelzellen zu verstehen.

[0012] In der bekannten Weise kann ein Brennstoffzellensystem einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen, wobei ein Brennstoffzellenstapel einzelne Brennstoffzellen zu Gruppen zusammenfasst, welche dann über die Messkanäle vermessen werden können. Im einfachsten Fall, sind immer zwei, drei oder mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen gruppiert und weisen einen gemeinsamen Spannungssensor für den jeweiligen Messkanal auf. Dieser Spannungssensor für den jeweiligen Messkanal misst also die Summe der Einzelspannungen, welche an jeder Brennstoffzelle abfallen. Dieser Summenwert entspricht also der Summe aller einzelnen Spannungen, welche zwar üblicherweise in einem ähnlichen Bereich liegen, sich jedoch von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle unterscheiden.

[0013] Während bei den bekannten Lösungen nun diese Summenwerte für die Messkanäle als Kanal-Spannungen einem einfachen Mittelungsverfahren unterzogen wurden, sodass sich der Mittelwert der Kanal-Spannungen ergab, ist ein erfindungsgemäßes Verfahren weitergebildet, um

die Genauigkeit zu verbessern. So wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nun zusätzlich zur physikalischen Messung der realen Kanal-Spannung eine Risikospannung ermittelt. Die Risikospannung ist die Spannung, welche eine jeweilige Brennstoffzelle aufweist, welche kurz davor ist, einen Wert zu erreichen, welcher als Dropout-Wert bezeichnet werden kann. Ein solcher DropoutWert bedeutet, dass die Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle so niedrig ist, dass die in der Einleitung dieser Patentanmeldung beschriebenen Nachteile hinsichtlich massiver Alterung oder sogar irreversibler Schädigung mit hoher Wahrscheinlichkeit eintreten. Brennstoffzellen, welche besonders nahe an diesem schädigenden Spannungswert liegen, können als Zellen bezeichnet werden, welche eine solche Risiko-Zellspannung, also einen solchen Dropout-Wert, aufweisen.

[0014] Dropout ist ein physikalischer Effekt, bei welchem sich ein Mechanismus oder ein Ablauf einer Reaktion ändert. Dadurch entsteht im zeitlichen Verlauf ein Knick nach unten bzw. beginnt die Spannung einer einzelnen Zelle t sehr rasch abzufallen. Dieses Abfallen wird als Dropout bezeichnet. Schädigungen entstehen, wenn eine normale Reaktion nicht mehr abläuft und ein Dropout stattfindet, bei dem sich der Ablauf verändert.

[0015] Um nun diese Risiko-Zellspannung zu ermitteln, wird erfindungsgemäß ein Risiko-Zusammenhang verwendet. Dieser Risiko-Zusammenhang kann in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein und wird insbesondere hinsichtlich möglicher Ausführungsformen später noch näher erläutert. Im einfachsten Fall kann es sich dabei um einen physikalischen Zusammenhang handeln, welcher sich mit den realen oder simulierten oder modellierten physikalischen Vorgängen in der Brennstoffzelle befasst. Auch einfache algorithmische und/oder statische Zusammenhänge sind als Risiko-Zusammenhang einsetzbar. Selbstverständlich können auch Kombinationen unterschiedlicher algorithmischer, physikalischer, statistischer oder sogar auf einer künstlichen Intelligenz basierender Zusammenhänge als Risiko-Zusammenhang verwendet werden. Die RisikoZellspannung ist damit ein virtueller Wert, welcher in diesem Ermittlungsschritt keinem realen Wert einer Brennstoffzelle entspricht oder einen solchen in indirekter Messweise wiedergibt. Die indirekte Messung erfolgt im nachfolgenden Schritt unter Nutzung dieser ermittelten RisikoZellspannung, welche für die indirekte Messung auch als Basiswert und/oder Vergleichswert verstanden werden kann.

[0016] Um nun für spätere Regelverfahren eine Minimal-Zellspannung spezifisch vorzugeben, wird nun in indirekter Weise eine Bestimmung und damit ein indirektes Messen einer solchen Minimal-Zellspannung durchgeführt. Dieses indirekte Bestimmen erfolgt auf Basis der real gemessenen Kanal-Spannungen und der Risiko-Zellspannung. Mit anderen Worten bilden die physikalisch gemessenen Kanal-Spannungen einerseits und die über den Risiko-Zusammenhang ermittelte Risiko-Zellspannung anderseits die Eingabeparameter für das indirekte Bestimmungsverfahren.

[0017] Für diese indirekte Bestimmung sind unterschiedlichste Umsetzungen denkbar. So ist hier ein einfacher algorithmischer Zusammenhang möglich, sodass beispielsweise die MinimalZellspannung sich aus der Differenz der Kanal-Spannungen und der ermittelten Risikospannung multipliziert mit der Anzahl der Brennstoffzellen pro Messkanal minus 1 ergeben kann. Auch komplexere Zusammenhänge, beispielsweise das Verwenden von eindimensionalen, zweidimensionalen oder multidimensionalen Kennfeldern, die Nutzung von experimentell validierten und parametrisierten Modellen oder Ähnliches ist hier grundsätzlich denkbar. Unabhängig von der tatsächlichen Umsetzung der indirekten Bestimmungsweise wird auf diese Weise eine Minimal-Zellspannung erzeugt, welche nicht nur eine erhöhte Genauigkeit im Vergleich zu den bekannten Nutzungen der Kanal-Spannungsmittelwerte mit sich bringt, sondern darüber hinaus falsch-negative Ergebnisse deutlich reduziert oder sogar vollständig ausschließt. Dadurch, dass nun die erfindungsgemäße Ermittlung einer Risiko-Zeillspannung in die indirekte Bestimmung und damit die indirekte Messung der Minimal-Zeillspannung einfließt, wird die Wahrscheinlichkeit falsch-negativer Ergebnisse reduziert und die Wahrscheinlichkeit falsch-positiver Ergebnisse erhöht. Mit anderen Worten wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren abschließend als Minimal-Zeillspannung eine Ausgabe-Minimalspannung ausgegeben, welche mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit niedriger ist als die tatsächlich vorhandene niedrigste Zellspannung aller Brennstoffzellen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Ausgabe-Minimalspannung größer ist als eine tatsächlich vorhandene Zellspan-

nung einer Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel, welche Situation ein falsch-negatives Ergebnis darstellen würde, ist deutlich reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen. Mit anderen Worten wird nun die Sicherheit erhöht, das auf die schwerwiegende Schädigungsgefahr bei sehr niedrigen Zellspannungen möglichst frühzeitig immer reagiert werden kann. Fehlende Regeleingriffe, durch das fehlende Erkennen von niedrigen Zellspannungen, sind nun trotz der vereinfachten Konstruktionsweise und der Nutzung der Messkanäle mit mehreren Brennstoffzellen deutlich reduziert oder sogar vollständig ausgeschlossen.

[0018] Der Schritt der Messung der Kanal-Spannung kann dabei durch physikalische Voltmeter und entsprechende Spannungssensoren umgesetzt werden. Erst die Umsetzung in das indirekte Messverfahren für die Minimal-Zeilspannung erlaubt es jedoch die Genauigkeit aus den relativ ungenauen Messungen für die kompletten Messkanäle wieder zu erhöhen, um entsprechend in dem später noch erläuterten und ebenfalls einen Teilgegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Regelverfahren mit der gewünschten hohen Genauigkeit und der erhöhten Sicherheit die Regeleingriffe zur Verfügung zu stellen.

[0019] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für das indirekte Bestimmen der Minimal-Zellspannung eine der gemessenen Kanal-Spannungen verwendet wird, welche einen Vorgabewert für die Kanal-Spannungen und/oder einen Kanal-Mittelwert für die Kanal-Spannung erfüllt. Mit anderen Worten kann nicht nur in beliebiger Weise jede Kanal-Spannung für das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren eingesetzt werden. Vielmehr ist es möglich, durch die gezielte Vorauswahl die Genauigkeit und insbesondere die Vermeidung oder Reduzieren von falsch-negativen Ergebnissen weiter zu verbessern. Ein solcher Vorgabewert ist insbesondere eine Untergrenze, welche unterschritten werden soll. So kann beispielsweise diejenige Kanal-Spannung verwendet werden, welche am niedrigsten ist und/oder welche den niedrigsten Kanal-Mittelwert aufweist. Da üblicherweise die niedrigsten Kanal-Mittelwerte innerhalb des Messkanals die Brennstoffzelle mit der niedrigsten Zellspannung aufweisen, kann hier in entsprechender Weise die Sicherheit des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens noch weiter erhöht werden. Jedoch sind auch andere Vorgabewerte grundsätzlich denkbar.

[0020] Es ist von Vorteil, wenn die Kanal-Spannung mit einem zweit-niedrigsten Kanal-Mittelwert verwendet wird, um insbesondere die Risikospannung zu bestimmen. Es wird also die KanalSpannung mit einem zweit-niedrigsten Kanal-Mittelwert als Vorgabewert verwendet. Dabei wird insbesondere der niedrigste Kanal-Mittelwert dann mit dieser Risikospannung kombiniert verwendet. Dies kann vorteilhaft in direkter Weise oder auch als Basis für eine weitere Kalkulation verwendet werden. Der Kanal-Mittelwert wird dabei in der bekannten Weise bestimmt und ermittelt, nämlich insbesondere aus der Division der Kanal-Spannung durch die Anzahl der Brennstoffzellen für den jeweiligen Messkanal. Insbesondere dann, wenn Messkanäle mit unterschiedlicher Anzahl an Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel für das Bestimmungsverfahren verwendet werden sollen, ist die Verwendung der Kanalmittelwerte an Stelle der direkten KanalSpannungen von Vorteil, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse miteinander zu verbessern. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn man nicht weiß, welche Zellspannungs-Verteilung vorhanden ist. Folglich ist eine Zelle mit dem niedrigsten Kanal-Mittelwert insbesondere bereits aus der Verteilung draußen, weshalb es günstig ist, die die Kanal-Spannung mit einem zweit-niedrigsten Kanal-Mittelwert zu verwenden.

[0021] Weitere Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für das indirekte Bestimmen der Minimal-Zellspannung eine Kombination von wenigstens zwei Kanal-Spannungen verwendet wird. Mit anderen Worten ist es möglich, nicht nur eine einzelne Kanal-Spannung und/oder einen einzelnen Kanal-Mittelwert, sondern eine Kombination derselben auszuwählen. Diese Kombination kann in gezielter oder statistisch verteilter Weise sogar zufällig erfolgen, sodass entsprechend eine zufällige oder zielgerichtete Auswahl aus der Gesamtmenge der Messkanäle für die nachfolgende indirekte Bestimmung der Minimal-Zeilspannung verwendet wird. Dies erlaubt es, zum einen den Rechenaufwand für das indirekte Bestimmen zu reduzieren und gleichzeitig die Datenbasis für diese indirekte Bestimmung zu verbreitern.

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[0022] Darüber hinaus bringt es weitere Vorteile mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren bei der Kombination von Kanal-Spannungen eine unterschiedliche Gewichtung der Kanal-Spannungen erfolgt. Bei der Kombination kann also, insbesondere auf Basis von Vorgabeinformationen, eine Gewichtung unterschiedliche Kanal-Spannungen stärker oder weniger stark in die nachfolgende indirekte Bestimmung der Minimal-Zellspannung einfließen lassen. Beispielsweise kann sich die Summe der Gewichtungswerte zu 1 addieren, sodass entsprechend unterschiedliche Kanal-Spannungen miteinander kombiniert werden können und trotzdem im Zusammenspiel durch die Gewichtung wie eine einzige Kanal-Spannung umgesetzt und für das Bestimmungsverfahren verwendet werden können.

[0023] Weitere Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäß en Bestimmungsverfahren für das Ermitteln der Risiko-Zeilspannung der Risiko-Zusammenhang eine statistische Zellspannungs-Verteilung aufweist, wobei insbesondere die Risiko-Zellspannung als Spannungswert am unteren Ende der Zellspannungs-Verteilung gesetzt wird. Je nachdem, wie in der Realität die Brennstoffzellen tatsächlich ihren eigenen Spannungswert aufbauen, werden sich insbesondere bei einer höheren Anzahl von Brennstoffzellen pro Messkanal die einzelnen Spannungswerte der einzelnen Brennstoffzellen statistisch zueinander verteilen. Insbesondere in stationären Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems kann dabei von einer Normalverteilung und/oder Gaußschen Verteilungskurve ausgegangen werden. Mit anderen Worten kann nun eine Zellspannungs-Verteilung als statistische Verteilung verwendet werden, um auf Basis der Kanal-Spannung und/oder des Kanal-Mittelwerts entsprechend eine solche Glockenkurve oder Gaußsche Verteilung um den Kanal-Mittelwert herum aufzubauen. Dies erlaubt es, über die statistische Zellspannungs-Verteilung nun eine Zuweisung aus statistischen Überlegungen für die einzelnen Zellspannungen der Brennstoffzellen des Messkanals durchzuführen. Auch wenn dies weder eine Messung noch eine tatsächliche physikalische Berechnung ist, stellt dies eine erfindungsgemäße Möglichkeit dar, um am unteren Ende dieser Glockenkurve nun einen Zellspannungswert auszuwählen und als Risiko-Zeillspannung zu setzen. Dies ist eine Möglichkeit des Ermittlungsverfahrens, wobei der Risiko-Zusammenhang selbstverständlich zusätzlich oder alternativ zur Zellspannungs-Verteilung auch andere Umsetzungsformen oder Anpassungsmöglichkeiten aufweisen kann. Die Zellspannungs-Verteilung kann dabei selbstverständlich auch andere statistische Formen aufweisen, so ist beispielsweise eine gleichmäßige Verteilung über die gesamte Breite und/oder Standardabweichung grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0024] Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem Bestimmungsverfahren gemäß dem voranstehenden Absatz die Zellspannungs-Verteilung des Risiko-Zusammenhangs an einer erfassten aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems ausgewählt und/oder angepasst wird. Die aktuelle Betriebssituation des Brennstoffzellensystems lässt sich dabei insbesondere in stationäre und instationäre Betriebssituationen unterteilen. Instationäre Betriebssituationen sind beispielsweise die Einschalt- und Anfahrvorgänge sowie die Ausschalt- und Abfahrvorgänge des Brennstoffzellensystems. Während einer instationären Betriebssituation kann der Fall eintreten, dass sich eine Gasfront ausbildet, und zwar wenn der Brennstoffzellenstapel neu versorgt wird. Dabei werden die einzelnen Brennstoffzellen nacheinander mit dem entsprechenden Gas versorgt sind und es wird sich entsprechend die Betriebsspannung einstellen. Ist im Gegensatz dazu der Brennstoffzellenstapel in einer instationären Betriebssituation versorgt, bildet sich keine Gasfront aus. Grundsätzlich ist es von Vorteil, wenn der Brennstoffzellenstapel immer versorgt ist bei allen Zuständen, außer das System ist inaktiv oder wird gerade gestartet. Dies ist z. B. bei einem Abfahrvorgang der Fall, wobei es dort keine Gasfront gibt. Auch ist bei manchen Starts der Brennstoffzellenstapel bereits versorgt, sodass es auch keine Gasfront gibt.

[0025] Im stationären Zustand ist eine kontinuierliche und stationäre Gasversorgung und Betriebsweise gegeben, sodass auch von einem stationären Zustand für im Wesentlichen alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ausgegangen werden kann. Insbesondere bei stationären Zuständen kann die Zellspannungs-Verteilung dann als die beschriebene Glockenkurve oder Gaußsche Normalverteilung verwendet werden. Bei instationären Situationen kann beispielsweise eine stetige, konstante oder gleichmäßige Verteilung, also eine symmetrische und

ausbalancierte Verteilung links und rechts vom Kanal-Mittelwert, vorgesehen werden. Auch hier sind auch weitere zusätzliche Änderungen oder Anpassungsmöglichkeiten denkbar, welche auf Basis einer erfassten Betriebssituation durchgeführt werden können. Grundsätzlich kann es aber auch vorgesehen sein, dass eine wirkliche Verteilung nicht bekannt und/oder variabel ist. Hier kommt der oben beschriebene Ansatz mit der Kanal-Spannung mit dem zweit-niedrigsten KanalMittelwert der zweit-niedrigsten Kanalspannung zum Einsatz. Es kann eine unbekannte Verteilung mit einer weiten Spreizung vorgesehen sein, wobei hier viele Brennstoffzellen gar nicht versorgt sind. Diese sammeln sich real alle im Bereich um eine Spannung von 0 mV. Die Verteilung deckt also grundsätzlich alle Bereiche ab ist aber nicht symmetrisch verteilt. Am Ende des Starts ist die Spannung dann vorteilhaft gleichmäßig verteilt und in einem festgelegten Band, so dass es möglich wird, die Leistung, die ursprünglich nur gezogen wurde, um die Spannung zu begrenzen, auf Betriebsniveau zu erhöhen. Ab hier kann man die Brennstoffzellen als gleichverteilt betrachten und es kann auf das normale Verfahren umgeschaltete werden.

[0026] Ebenfalls von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren nach den beiden voranstehenden Absätzen aus den gemessenen Kanal-Spannungen eine Kanal-Spannungsverteilung ermittelt wird, welche als Zellspannungs-Verteilung gesetzt und/oder als Basis für eine Auswahl und/oder Anpassung der Zellspannungs-Verteilung verwendet wird. We bereits weiter oben erläutert worden ist, ist es auch grundsätzlich möglich, die Kanal-Spannungen miteinander zu vergleichen und eine entsprechende Verteilung dieser Kanal-Spannungen als Kanal-Spannungsverteilung aufzuzeichnen. Diese Kanal-Spannungsverteilung ist beispielsweise in einer stationären Betriebssituation ebenfalls normal verteilt und teilt sich damit auf eine Gaußsche Glockenkurve auf. In einem solchen Fall kann die tatsächliche Ausgestaltung dieser Normalverteilung für alle Messkanäle als Kanal-Spannungsverteilung nun insbesondere einfach und direkt als Zellspannungs-Verteilung übernommen und damit gesetzt werden. Auch Anpassungsmöglichkeiten, welche beispielsweise aus experimentellen Daten aus Prüfstandsversuchen bekannt sind, sind hier grundsätzlich mit Bezug auf die Kanal-Spannungsverteilung denkbar. Mit anderen Worten wird nun hier die Modellierung in der Zellspannungs-Verteilung in einfacher Weise gleichgesetzt mit der tatsächlich messbaren Kanal-Spannungsverteilung, sodass entsprechend auch für den indirekten Bestimmungsschritt und das vorangehende Ermitteln der Risiko-Zellspannung Bezug auf real vermessene Spannungswerte genommen werden kann. Diese zusätzliche Korrelation zwischen den realen Messschritten und den Zwischenschritten zur Ermittlung der Risiko-Zellspannung führen zu einer verbesserten und weiter erhöhten Genauigkeit der indirekten Bestimmung und damit dem indirekten Messen der Minimal-Zellspannung.

[0027] Ein weiterer Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren für das indirekte Bestimmen der Minimal-Zellspannung ein Zellspannungs-Modell verwendet wird. Ein solches Zellspannungs-Modell kann beispielsweise ein Kennfeld sein, wobei dieses ein eindimensionales, zweidimensionales oder multidimensionales Kennfeld sein kann. Ein solches Zellspannungs-Modell basiert insbesondere auf Daten eines Prüfstandes oder kann als Basismodell mit solchen Prüfstandsdaten verifiziert und parametriert werden. Auch rein algorithmische Zusammenhänge, welche sich aus experimentellen Daten ergeben, sind grundsätzlich denkbar. Das Zellspannungs-Modell ist dabei vorzugsweise spezifisch für die Brennstoffzellen, den Brennstoffzellenstapel und/oder das gesamte Brennstoffzellensystem ausgebildet. Damit ist es möglich, dass das Zellspannungs-Modell nun Ungenauigkeiten, welche beispielsweise in einer physikalischen Ausgestaltung des Risiko-Zusammenhangs noch enthalten sind, wieder ausgleicht. Solche experimentell validierten Zellspannungs-Modelle erlauben es also den erfindungsgemäßen Vorteil der Genauigkeit und der reduzierten Wahrscheinlichkeit von falsch-negativen Ergebnissen für die Minimal-Zellspannung weiter zu verbessern.

[0028] Ein weiterer Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren das verwendete Zellspannungs-Modell ausgewählt und/oder angepasst wird anhand

- einer erfassten aktuellen Betriebssituation und/oder

- einer Auswahl und/oder Anpassung einer Zellspannungs-Verteilung, welche beim Ermitteln der Risiko-Zellspannung als Teil des Risiko-Zusammenhangs ausgewählt oder angepasst wurde.

[0029] Unterschiedliche Betriebsweisen bringen unterschiedliche Situationen für die Spannungswerte an den einzelnen Brennstoffzellen mit sich. Me dies bereits für die Ermittlungen der RisikoZellspannung erläutert worden ist, kann auch für das Zellspannungs-Modell nun eine entsprechende Anpassung gewährleistet sein. So können beispielsweise am Prüfstand unterschiedliche Betriebssituationen eingestellt werden, sodass sich für die unterschiedlichen Betriebssituationen unterschiedliche Datenmengen generieren lassen. Dies erlaubt es, das Zellspannungs-Modell nun auf Basis der erfassten aktuellen Betriebssituation an die unterschiedlichen experimentellen Daten anzupassen und für den tatsächlichen Einsatz des Brennstoffzellensystems im Betrieb für die jeweilige Betriebssituation anzuwenden. Zusätzlich oder alternativ kann das ZellspannungsModell auch variiert werden auf Basis der Variation, welche für die Zellspannungs-Verteilung bei Ermittlung der Risiko-Zellspannung verwendet worden ist. Insbesondere gilt dies dahingehend, dass nun eine doppelte Anpassung an die Betriebssituation oder anderer Rahmenparameter möglich ist, nämlich einmal die Anpassung des Risiko-Zusammenhangs und im zweiten Schritt die Anpassung des Zellspannungs-Modells. Dies erlaubt es, auch bei komplexen Betriebssituationen bei sich unterscheidenden stationären und instationären Betriebsweisen oder ähnlichen unterschiedlichen und variierenden Umgebungsparametern das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren immer mit den gewünschten hohen Genauigkeiten zu betreiben und auf diese Weise die indirekte Bestimmungsgenauigkeit für die indirekte Messung der Minimal-Zeilspannung hochzuhalten oder zumindest zu optimieren.

[0030] Ebenfalls vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren das indirekte Bestimmen der Minimal-Zeillspannung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Zellspannungs-Modellen erfolgt, wobei anschließend eine Auswahl aus den wenigstens zwei Minimal-Zellspannungen für die Ausgabe als Ausgabe-Minimalspannung erfolgt. Mit anderen Worten werden immer alle Zellspannungs-Modelle parallel ausgeführt, sodass sich entsprechend für jedes Zellspannungs-Modell auch eine eigene Minimal-Zeillspannung ergibt. Ein Zwischenschritt führt dazu, dass aus diesen Minimal-Zellspannungen, beispielsweise mit einem vordefinierten Auswahlkriterium, die anschließende Ausgabe-Minimalspannung bestimmt wird. Ein besonders einfaches Auswahlkriterium ist es dabei, immer die geringste Minimal-Zellspannung als Ausgabe-Minimalspannung zu verwenden, um entsprechend eine weitergehende Verbesserung der Vermeidung falsch-negativer Ergebnisse mit sich zu bringen. Die parallele Ausführung mehrerer Zellspannungs-Modelle gleichzeitig führt dazu, dass keine Zeitunterschiede in der Ermittlung entstehen und insbesondere unabhängig von der Betriebssituation immer die gleiche Verbreitungszeit hinsichtlich des Bestimmungsverfahrens zu erwarten ist.

[0031] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung auf einem Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens durchzuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0032] Darüber hinaus ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Bestimmungsvorrichtung für eine Bestimmung einer Minimal-Zeillspannung von in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen. Eine solche Bestimmungsvorrichtung weist ein Messmodul für ein Messen von Kanal-Spannungen für wenigstens zwei Messkanäle mit je wenigstens zwei in Serie vermessenen Brennstoffzellen auf. Darüber hinaus ist ein Ermittlungsmodul vorgesehen für ein Ermitteln einer Risiko-Zellspannung unter Nutzung eines Risiko-Zusammenhangs. Mit Hilfe eines Bestimmungsmoduls erfolgt ein indirektes Bestimmen einer Minimal-Zeilspannung für alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemessenen Kanal-Spannungen und der Risiko-Zellspannung. Ein Ausgabemodul dient darüber hinaus einem Ausgeben der indirekt bestimmten Minimal-Zellspannung als Ausgabe-Minimalspannung. Bei einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung sind das Messmodul, das Ermittlungsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Ausgabemodul für die Aus-

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führung eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens ausgebildet. Damit bringt eine erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit BeZug auf ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0033] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Regelverfahren für eine Regelung eines Brennstoffzellensystem. Ein solches Regelverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Regelparameter für die Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems auf Basis einer Ausgabe-Minimalspannung angepasst wird, welche mittels eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens bestimmt worden ist. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Regelverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit BeZug auf ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren erläutert worden sind.

[0034] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem, welches eine erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung aufweist.

[0035] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0036] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, [0037] Fig. 2 eine mögliche Anordnung der Spannungssensoren,

[0038] Fig. 3 eine weitere mögliche Anordnung der Spannungssensoren,

[0039] Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,

[0040] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,

[0041] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,

[0042] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,

[0043] Fig. 8 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,

[0044] Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung,

[0045] Fig. 10 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung.

[0046] In Figur 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Dieses Brennstoffzellensystem 100 ist mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet, welcher schematisch in einen Anodenabschnitt 120 und in einen Kathodenabschnitt 130 aufgeteilt werden kann. Über einen Anodenzuführabschnitt 122 wird Anodenzuführgas AZG dem Anodenabschnitt 120 zugeführt. Bei dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 entstehendes Anodenabgas AAG wird aus dem Anodenabschnitt 120 über den Anodenabgasabschnitt 124 abgeführt. In ähnlicher Weise wird Kathodenzuführgas KZG über den Kathodenzuführabschnitt 132 dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt. Das ebenfalls während dem Betrieb entstehende Kathodenabgas KAG wird in gleicher Weise über den Kathodenabführabschnitt 134 aus dem Kathodenabschnitt 130 herausgefördert. Nicht näher dargestellt sind weitere Komponenten wie Rezirkulationsabschnitte, Kühlvorrichtungen, Kondensationsvorrichtungen, Wärmetauscher oder Ähnliches. Entscheidend ist jedoch, dass eine Bestimmungsvorrichtung 10 vorgesehen ist, um eine Bestimmung einzelner Zellspannungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 zu ermöglichen.

[0047] Die Figur 2 zeigt einen schematischen Teilabschnitt eines Brennstoffzellenstapels 110. Hier sind schematisch acht übereinander gestapelte einzelne Brennstoffzellen 112 dargestellt. Jede diese Brennstoffzellen 112 weist zwei elektrische Anschlüsse auf, über welche am Stromanschluss gewährleistet werden kann. Bei der Ausführungsform der Figur 2 sind nun immer zwei

miteinander benachbarte Brennstoffzellen 112 über einen gemeinsamen Spannungssensor 140 verbunden, sodass für diese Gruppe aus jeweils zwei Brennstoffzellen 112 eine gemeinsame Kanal-Spannung KV abgegriffen werden kann. Selbstverständlich können auch unterschiedliche Anzahlen innerhalb der Gruppe für jeden Messkanal MK vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform sind immer zwei Brennstoffzellen 112 für jeden Messkanal MK mit einem gemeinsamen Spannungssensor 140 ausgestattet. Dies dient der besseren Durchführung und Vergleichbarkeit eines Bestimmungsverfahrens. Insbesondere ist noch darauf hinzuweisen, dass auch die Spannungssensoren 140 vorzugsweise eine ähnliche oder sogar identische Ausbildung aufweisen.

[0048] Die Figur 3 zeigt eine alternative Lösung zur Ausführungsform der Figur 2. Diese unterscheidet sich dadurch, dass immer drei Brennstoffzellen 112 zu einer Gruppe zusammengefasst sind und damit einen Messkanal MK mit einem einzigen gemeinsamen Spannungssensor 140 ausbilden. Im Vergleich zur Ausführungsform der Figur 2 wird es damit möglich den gesamten Brennstoffzellenstapel 110 mit noch weniger Spannungssensoren 140 zu versehen und damit die Kosten und die Komplexität zu reduzieren.

[0049] In der Figur 4 ist schematisch eine Bestimmungsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche ein erfindungsgemäßes Bestimmungsverfahren durchführt. Der Einfachheit halber sind hier zwei Messkanäle MK über zwei Spannungssensoren 140 abgebildet. Entsprechend wird auch für jeden der Messkanäle MK in dem Messmodul 20 eine Kanal-Spannung KV gemessen. Diese vermessenen und physikalisch real erfassten Kanal-Spannungen KV werden nun weitergegeben an ein Bestimmungsmodul 40. Weiter erhält das Bestimmungsmodul 40 von einem Ermittlungsmodul 30 eine Risikospannung RV. Diese Risikospannung RV wird im Ermittlungsmodul 30 unter der Nutzung eines Risiko-Zusammenhangs RZ und der Messdaten von den zwei Messkanälen MK ermittelt und entsprechend an das Bestimmungsmodul 40 weitergegeben. Auf Basis dieser Eingangsinformationen kann direkt und/oder unter Weiterverarbeitung, beispielsweise der Kanal-Spannungen KV, im Bestimmungsmodul 40 eine Minimal-Zellspannung ZV-MIN bestimmt werden. Diese wird weitergegeben an das Ausgabemodul 50 und kann dort als Ausgabe-Minimalspannung AV-MIN ausgegeben werden. Die Daten zum Risiko-Zusammenhangs RZ werden insbesondere von einer Datenbank 70 zur Verfügung gestellt.

[0050] Die Figur 4 stellt damit die einfachste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens und der Bestimmungsvorrichtung dar. In der Figur 5 ist dargestellt, wie einzelne Ausgestaltungen, insbesondere im Bestimmungsmodul 40, vorgesehen sein können. So kann zum Beispiel das Bestimmungsmodul 40 hier auf ein Zellspannungs-Modell ZVM zurückgreifen, welches zum Beispiel als statistische Verteilung oder als Modellierung validiert aus Experimentaldaten auf einem Prüfstand zur Verfügung gestellt worden ist. Bei der Ausführungsform der Figur 5 wird darüber hinaus noch nicht die einzelnen Kanal-Spannungen KV, sondern der KanalMittelwert KM insbesondere nur ein einzelner Kanal-Mittelwert KM vorgesehen. So kann beispielsweise im Messmodul 20 der Kanal-Mittelwert KM für alle Kanal-Spannungen KV bestimmt werden und anschließend im Vergleich mit einem Vorgabewert, zum Beispiel der niedrigste oder der zweit niedrigste Kanal-Mittelwert KM, an das Bestimmungsmodul 40 übergeben werden.

[0051] Die Figur 6 basiert auf der Ausführungsform der Figur 5. Hier ist eine weitere Detailierung im Ermittlungsmodul 30 vorgesehen. So weist das Ermittlungsmodul 30 nun hier eine Zellspannungs-Verteilung ZVV als Teil des Risiko-Zusammenhangs RZ auf. Schematisch ist hier die Zellspannungs-Verteilung als Normalverteilung oder Gaußsche Glockenkurve dargestellt, wobei am linken Ende dieser Glockenkurve und damit die niedrigste mögliche Zellspannung in dieser Glockenkurve als Risiko-Zellspannung RV gesetzt und weitergeleitet wird. Auch andere Zellspannungs-Verteilungen ZVV, beispielsweise stetige Verteilungen oder ausbalancierte gleichmäßige Verteilungen sind grundsätzlich denkbar.

[0052] Die Figur 7 zeigt nun, dass auch eine weitere externe Abhängigkeit gegeben sein kann. So kann die Betriebssituation BS erfasst werden und insbesondere durch die aktuelle Gesamtspannung, die aktuellen Gasströme, die Einschaltdauer, Temperaturwerte oder Ähnliches stationäre von instationären Betriebssituationen unterschieden werden. Dabei kann eine qualita-

tive oder quantitative Unterscheidung der Betriebssituationen BS verwendet werden. In beiden Fällen sind hier nun Datenbanken vorgesehen, welche auf der linken Seite die unterschiedlichen Zellspannungs-Verteilungen ZVV aufweisen. Je nach Art und Situation im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird nun eine spezifische Zellspannungs-Verteilung ZVV in den Risiko-Zusammenhang RZ übergeben und dort in dem Ermittlungsmodul 30 für die Ermittlung der Risikospannung RV verwendet. Zusätzlich oder alternativ ist hier nun rechts ebenfalls auf Basis der Betriebssituation BS die Auswahl unterschiedlicher Zellspannungs-Modelle ZVM möglich. Auch hier ist es möglich, qualitativ oder quantitativ eine Auswahl oder sogar Anpassung der ZellspannungsModelle ZVM durchzuführen und diese an das Bestimmungsmodul 40 zu übergeben.

[0053] In der Figur 8 ist eine weitere Rückkopplung dargestellt, welche die bereits vorhandenen und gemessenen Informationen aus dem Messkanal MK nützen kann. So ist es möglich, dass die einzelnen Kanal-Spannungen KV gemeinsam mathematisch aufgetragen werden und in eine Kanal-Spannungsverteilung KVV überführt werden. Diese Kanal-Spannungsverteilung KVV wird nun entweder direkt als Zellspannungs-Verteilung ZVV gesetzt oder für die Erzeugung oder Anpassung der Zellspannungs-Verteilung ZVV im Ermittlungsmodul 30 verwendet.

[0054] In der Figur 8 ist darüber hinaus noch eine Variante gezeigt, bei welcher zwei verschiedene Zellspannungs-Modelle ZVM verwendet werden. Diese Zellspannungs-Modelle ZVM können sich unterscheiden, können fest vorgegeben sein oder können zum Beispiel aus einer Datenbank gemäß der Ausführungsform der Figur 7 vorgesehen und gezogen werden. Hier werden nun mit jedem Zellspannungs-Modell ZVM im Bestimmungsmodul 40 jeweils eine zugehörige Minimal-Zellspannung ZV-MIN erzeugt, wobei nun ein Selektions- und Auswahlprozess im Ausgabemodul 50 erfolgt. Beispielsweise kann aus mehreren Minimal-Zellspannungen ZV-min nun die niedrigste ausgewählt und als Ausgabe-Minimalspannung AV-MIN ausgegeben werden.

[0055] In der Figur 9 ist dargestellt, dass im Bestimmungsmodul 40 auch eine Kanal-Spannungsgrenze KVG gesetzt werden kann. Diese bezieht sich insbesondere auf ein Grenz-Kennfeld GKF, welches als Eingangswert die Kanal-Spannungen KV oder Kanal-Mittelwerte KM verwenden kann.

[0056] In der Figur 10 ist noch dargestellt, wie die Bestimmungsvorrichtung 10 in ein Regelverfahren integriert sein kann. Hier kann die Bestimmungsvorrichtung 10 auch als Regelvorrichtung verstanden und bezeichnet werden. Anschließend an das Ausgabemodul 50 ist nämlich ein Regelmodul 60 vorhanden, welches die ausgegebene Ausgabe-Minimalspannung AV-MIN als Eingangswert erfasst, daraus einen Regelparameter RP definiert und entsprechend Einfluss auf Betriebsparameter BP des Brennstoffzellensystems 100 nimmt. Im einfachsten Fall ist der Regelparameter RP zum Beispiel eine Ventilstellung eines Gasventils in einem Zuführ- oder Abführabschnitt des Brennstoffzellensystems. Der durch die Änderung dieser Ventilstellung als Regelparameter RP sich ändernde Gasstrom führt nun zu unterschiedlichen stöchiometrischen Gasverhältnissen und damit zu einem auf diese Weise resultierenden und beeinflussten anderen Betriebsparameter BP des Brennstoffzellensystems.

[0057] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Bestimmungsvorrichtung 20 Messmodul

30 Ermittlungsmodul

40 Bestimmungsmodul

50 Ausgabemodul

60 Regelmodul

70 Datenbank

MK Messkanal

KV Kanal-Spannung

KM Kanal-Mittelwert

RV Risiko-Zellspannung RZ Risiko-Zusammenhang

ZV-MIN Minimal-Zellspannung AV-MIN Ausgabe-Minimalspannung

ZVV Zellspannungs-Verteilung ZVM Zellspannungs-Modell KVV Kanal-Spannungs-Verteilung KVG Kanal-Spannungs-Grenze GKF Grenz-Kennfeldes

BS Betriebssituation

RP Regelparameter

BP Betriebsparameter

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 112 Brennstoffzelle

120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt 140 Spannungssensor

Claims (12)

Patentansprüche

1. Bestimmungsverfahren für eine Bestimmung einer Minimal-Zeilspannung (ZV- MIN) von in einem Brennstoffzellenstapel (110) eines Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Brennstoffzellen (112), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Messen von Kanal-Spannungen (KV) für wenigstens zwei Messkanäle (MK) mit je wenigstens zwei in Serie vermessenen Brennstoffzellen (112),

- Ermitteln einer Risiko-Zellspannung (RV) unter Nutzung eines Risiko-Zusammenhangs (RZ),

- Indirektes Bestimmen einer Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) für alle Brennstoffzellen (112) des Brennstoffzellenstapels (110) auf Basis der gemessenen Kanal-Spannungen (KV) und der Risiko-Zellspannung (RV),

- Ausgeben der indirekt bestimmten Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) als Ausgabe-Minimalspannung (AV-MIN).

2. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das indirekte Bestimmen der Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) eine der gemessenen Kanal-Spannungen (KV) verwendet wird, welche einen Vorgabewert für die Kanal-Spannung (KV) und/oder einen Kanal-Mittelwert (KM) für die Kanal-Spannung (KV) erfüllt.

3. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die KanalSpannung (KV) mit einem zweit-niedrigsten Kanal-Mittelwert (KM) verwendet wird.

4. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Ermitteln der Risiko-Zeillspannung (RV) der Risiko-Zusammenhang (RZ) eine statistische Zellspannungs-Verteilung (ZVV) aufweist, wobei insbesondere die Risiko-Zellspannung (RV) als Spannungswert am unteren Ende der Zellspannungs-Verteilung (ZVV) gesetzt wird.

5. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellspannungs-Verteilung (ZVV) des Risiko-Zusammenhangs (RZ) anhand einer erfassten aktuellen Betriebssituation (BS) des Brennstoffzellensystems (100) ausgewählt und/oder angepasst wird.

6. Bestimmungsverfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Kanal-Spannungen (KV) eine Kanal-Spannungs-Verteilung (KVV) ermittelt wird, welche als Zellspannungs-Verteilung (ZVV) gesetzt und/oder als Basis für eine Auswahl und/oder Anpassung der Zellspannungs-Verteilung (ZVV) verwendet wird.

7. Bestimmungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das indirekte Bestimmen der Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) ein Zellspannungs-Modell (ZVM) verwendet wird.

8. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Zellspannungs-Modell (ZVM) ausgewählt und/oder angepasst wird anhand

- einer erfassten aktuellen Betriebssituation (BS) und/oder

- einer Auswahl und/oder Anpassung einer Zellspannungs-Verteilung (ZVV), welche beim Ermitteln der Risiko-Zeillspannung (RV) als Teil des Risiko-Zusammenhangs (RZ) ausgewählt und/oder angepasst wurde.

9. Bestimmungsverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das indirekte Bestimmen der Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Zellspannungs-Modellen (ZVM) erfolgt, wobei anschließend eine Auswahl aus den wenigstens zwei Minimal-Zeillspannungen (ZV-MIN) für die Ausgabe als Ausgabe-Zellspannung (AV-MIN) erfolgt.

10. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung auf einem Computer diesen veranlassen die Schritte eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

11. Bestimmungsvorrichtung (10) für eine Bestimmung einer Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) von in einem Brennstoffzellenstapel (110) eines Brennstoffzellensystems (100) angeordneten Brennstoffzellen (112), gekennzeichnet durch ein Messmodul (20) für ein Messen von Kanal-Spannungen (KV) für wenigstens zwei Messkanäle (MK) mit je wenigstens zwei in Serie vermessenen Brennstoffzellen (112), ein Ermittlungsmodul (30) für ein Ermitteln einer Risiko-Zellspannung (RV) unter Nutzung eines Risiko-Zusammenhangs (RZ), ein Bestimmungsmodul (40) für ein Indirektes Bestimmen einer Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) für alle Brennstoffzellen (112) des Brennstoffzellenstapels (110) auf Basis der gemessenen KanalSpannungen (KV) und der Risiko-Zeillspannung (RV) und ein Ausgabemodul (50) für ein Ausgeben der indirekt bestimmten Minimal-Zellspannung (ZV-MIN) als Ausgabe-Minimalspannung (AV-MIN), wobei das Messmodul (20), das Ermittlungsmodul (30), das Bestimmungsmodul (40) und/oder das Ausgabemodul (50) für eine Ausführung eines Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet sind.

12. Regelverfahren für eine Regelung eines Brennstoffzellensystems (100), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Regelparameter (RP) für die Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters (BP) des Brennstoffzellensystems (100) auf Basis einer Ausgabe-Minimalspannung (AV-MIN) angepasst wird, welche mittels eine Bestimmungsverfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 bestimmt worden ist.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen