CN117769775A - 用于探测损坏的燃料电池的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在本文公开的技术按照本发明涉及一种用于监视燃料电池堆(102)的装置(103)，所述燃料电池堆具有第一燃料电池(231)和至少一个与之相邻的燃料电池(232)。所述装置(103)设立为，确定由相邻的燃料电池(232)生成的电压的电压测量值(232)。此外，所述装置(103)设立为，基于由相邻的燃料电池(232)生成的电压的所确定的电压测量值(232)来探测或预测第一燃料电池(231)的损坏。

Description

用于探测损坏的燃料电池的方法和装置

技术领域

在本文公开的技术涉及一种用于探测燃料电池堆的损坏的燃料电池的方法以及相应的装置。

背景技术

机动车可以具有燃料电池系统，所述燃料电池系统包括具有多个燃料电池的燃料电池堆，其中，燃料电池系统基于燃料、例如氢气生成用于运行、特别是用于驱动车辆的电能。

为了保证燃料电池堆的安全性，通常监视各个燃料电池的电压。如果在一个燃料电池上识别到电池电压的损坏(例如负的电池电压或小于预定义的电压阈值的电池电压)，那么作为保护措施可以引起整个燃料电池堆的停用。以类似的方式，也可以在不存在用于单个燃料电池的电压测量值的情况下(例如由于测量模块的失灵)出于安全原因引起整个燃料电池堆的停用，即使实际上不存在单个燃料电池的损坏。

通过由于不存在电压测量值的这种安全关断，损坏燃料电池系统并因此损坏车辆的可用性。

发明内容

在本文公开的技术的优选任务在于，减少或消除已知的解决方案的至少一个缺点或者提出备选解决方案。特别是在本文公开的技术的优选任务在于，以有效且可靠的方式提高燃料电池系统的可用性。另外的优选任务可以从在本文公开的技术的有利效果中产生。所述任务分别通过独立权利要求的技术方案解决。从属权利要求表示优选的设计方案。

按照一个方面描述一种用于监视燃料电池堆的装置，其中，所述燃料电池堆具有第一燃料电池和至少一个与之(必要时直接)相邻的燃料电池。通常，燃料电池堆具有多个燃料电池(例如100或更多个，或者200个或更多个)。燃料电池堆可以在车辆中被运行，以便生成用于运行车辆的电气驱动装置的电能。

所述装置设立为：确定由相邻的燃料电池生成的电压的电压测量值。为此目的可以使用电压测量模块。相邻的燃料电池可以直接布置在第一燃料电池的边缘上，且因此可以称为第一燃料电池的边缘电池。

所述装置此外设立为：基于由相邻的燃料电池生成的电压的所确定的电压测量值来探测或预测第一燃料电池的损坏。为此目的，可以将电压测量值与(必要时经机器学习的)电压阈值进行比较。特别是可以确定：电压测量值是否大于或小于电压阈值。如果确定：由相邻的燃料电池生成的电压的电压测量值小于电压阈值，那么必要时可以推断：存在或将存在第一燃料电池的损坏。如果确定：由相邻的燃料电池生成的电压的电压测量值大于电压阈值，那么必要时可以推断：不存在或将不存在第一燃料电池的损坏。

换言之，所述装置可以设立为，将由相邻的燃料电池生成的电压的所确定的电压测量值与电压阈值、特别是经机器学习的电压阈值进行比较。于是可以通过特别精确和鲁棒的方式基于该比较判定：是否存在第一燃料电池的损坏(或者是否备选地存在第一燃料电池的测量模块的损坏)。

因此，由相邻的燃料电池生成的电压的电压测量值可以用于：以有效且可靠的方式识别或预测第一燃料电池的损坏。

所述装置可以设立为，如果已探测或预测到、特别是仅仅当已探测或预测到：存在或将存在第一燃料电池的损坏，那么引起用于保护燃料电池堆的保护措施。作为保护措施例如可以引起整个燃料电池堆的停用。如此可以通过有效的方式实现燃料电池堆的安全的运行。

所述装置可以设立为，基于由相邻的燃料电池生成的电压的电压测量值判定：是否存在或将存在第一燃料电池的损坏；或者是否(备选地)存在用于确定由第一燃料电池生成的电压的电压测量值的测量模块的损坏。如果判定：存在第一燃料电池的测量模块的损坏(且不存在第一燃料电池的损坏)，那么可以省去引起用于保护燃料电池堆的保护措施。特别是可以继续燃料电池堆的运行。如此可以通过安全且有效的方式提高燃料电池堆的可用性。

燃料电池堆可以具有多个相邻的燃料电池，所述多个相邻的燃料电池与第一燃料电池(必要时在不同的侧上)相邻。所述装置可以设立为，确定由相应多个相邻的燃料电池分别生成的电压的多个电压测量值。为此目的可以使用用于各个相邻的燃料电池的测量模块。

此外所述装置可以设立为，基于多个所确定的电压测量值探测或预测第一燃料电池的损坏。在此可以将各个电压测量值分别与(必要时经机器学习的)电压阈值进行比较。通过考虑针对多个不同的相邻的燃料电池的电压测量值可以进一步提高识别第一燃料电池的损坏的可靠性。

所述装置可以设立为，在不使用由第一燃料电池生成的电压的电压测量值的情况下探测或预测第一燃料电池的损坏。换言之，可以单独地基于针对一个或多个相邻的燃料电池的电压测量值来识别：是否存在第一燃料电池的损坏(或者备选地是否存在第一燃料电池的测量模块的损坏)。

如上所述，燃料电池堆通常包括多个燃料电池。所述装置可以设立为，确定针对相应多个燃料电池的具有多个电压测量值的电压测量序列。在此，电压测量序列必要时可以具有针对第一燃料电池的电压测量值。于是可以通过特别精确且鲁棒的方式，基于电压测量序列特别是在使用用于模式识别的算法的情况下来探测或预测第一燃料电池的损坏。

所述装置可以设立为，根据经机器学习的决策单元基于所确定的一个电压测量值或基于所确定的多个测量值来探测或预测第一燃料电池的损坏。决策单元在此可以包括具有经机器学习的决策准则(特别是具有电压阈值)的决策树。决策单元、特别是决策树的训练可以根据训练数据实现。如此可以实现特别有效且可靠地监视燃料电池堆。

按照另一方面描述一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括在本文中描述的装置。

按照另一方面描述一种(道路)机动车(特别是轿车或卡车或公共汽车或摩托车)，所述机动车包括在本文中描述的装置和/或在本文中描述的燃料电池系统。

按照另一方面描述一种用于监视燃料电池堆的方法，所述燃料电池堆具有第一燃料电池和至少一个与之(必要时直接邻接)相邻的燃料电池。所述方法包括确定由相邻的燃料电池生成的电压的电压测量值。此外所述方法包括基于由相邻的燃料电池生成的电压的所确定的电压测量值来探测或预测第一燃料电池的损坏(例如供给不足和/或缺陷)。

按照另一方面描述一种软件(SW)程序。SW程序可以设立为在处理器上(例如在车辆的控制装置上)执行，且由此执行在本文中描述的方法。

按照另一方面描述一种存储介质。存储介质可以包括SW程序，所述程序设立为在处理器上执行，且由此执行在本文中描述的方法。

应注意的是，在本文中描述的方法、装置和系统不仅可以单独地使用而且可以与其他在本文中描述的方法、装置和系统组合地使用。此外，在本文中描述的方法、装置和系统的任何方面可以通过多种方式相互组合。特别是，权利要求的特征可以通过多种方式相互组合。此外，在括号中列举的特征应理解为可选的特征。

附图说明

此外根据实施例进一步描述本发明。附图示出：

图1示出包括燃料电池堆的示例性燃料电池系统；

图2a以侧视图示出示例性燃料电池堆；

图2b示出用于燃料电池堆的示例性电压测量序列；

图3示出用于探测和/或预测燃料电池堆的损坏的示例性方法的流程图。

具体实施方式

如开头所述，本文涉及有效且可靠地提高燃料电池系统的可用性。就此而言，图1示出燃料电池系统100，其包括燃料电池堆102，所述燃料电池堆包括多个燃料电池101。燃料电池系统100例如构成为用于移动应用、如机动车，特别是用于提供用于至少一个电气驱动装置的电能以用于推动机动车。燃料电池101是一种电化学能量转换器，所述能量转换器将燃料(特别是氢气)和氧化剂转换为反应产物且在此产生电和热。此外，燃料电池系统100通常包括至少一个压力容器110，所述压力容器可以用于提供用于燃料电池101的燃料。压力容器110经由管路112与一个或多个燃料电池101连接。

燃料电池100包括阳极和阴极，所述阳极和阴极通过离子选择的或离子可渗透的分离器隔开。给阳极供给燃料。优选的燃料是：氢气、低分子酒精、生物燃油或液化天然气。给阴极供给氧化剂。优选的氧化剂是：空气、氧气和过氧化物。离子选择的分离器可以构成为例如质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)。

优选地采用阳离子选择性聚合物电解质膜。用于这样的膜的材料例如是以及/>

燃料电池堆102的燃料电池101通常分别包括两个分离器板。燃料电池101的离子选择的分离器通常分别布置在两个分离器板之间。一个分离器板连同离子选择的分离器构成阳极。布置在离子选择的分离器的相对侧上的另一分离器板然而连同离子选择的分离器构成阴极。在分离器板中优选地设有用于燃料或用于氧化剂的气体通道。此外可以在分离器板中设有用于冷却燃料电池101的冷却剂的冷却剂通道。

分离器板可以构成为单极板或双极板。特别是在此双极板具有两个侧，其中，一个侧连同离子选择的分离器构成第一燃料电池101的阳极，且第二侧连同相邻的第二燃料电池101的另一离子选择的分离器构成第二燃料电池101的阴极。

图2a以侧视图(沿着笛卡尔坐标系的x轴)示出示例性燃料电池堆102的结构。燃料电池堆102包括端板201、207，在所述端板之间布置多个燃料电池101。端板201、207可以用于将燃料电池堆102的燃料电池101保持在一起或挤压在一起。如上所述，燃料电池101可以通过两个相邻的双极板203的分别一侧形成。在两个相邻的双极板203之间可以布置膜电极组件(英语：Membrane Electrode Assembly，MEA)204。此外，燃料电池堆102包括燃料通道208和/或氧化剂通道202，通过燃料通道可以将燃料和/或通过氧化剂通道可以将氧化剂经由双极板203引导至各个燃料电池101。在此可以将氧化剂借助于氧化剂输送器209(例如借助于压缩机)输送到氧化剂通道202中。此外，燃料电池堆102包括一个或多个如下通道，经由所述通道可以将一种或多种反应产物(又经由双极板203)从各个燃料电池101引导。

燃料电池堆102通常具有用于相应多个燃料电池101的多个测量模块210。用于燃料电池101的测量模块210可以设立为，检测与由燃料电池101产生的电气电压有关的电压信息、特别是电压测量值。

燃料电池系统100的(控制)装置103可以设立为，根据多个测量模块210确定相应多个燃料电池101的电压的相应多个测量值。图2b示出示例性的电压测量序列220，所述电压测量序列包括针对燃料电池堆102的相应多个燃料电池101的多个电压测量值221。在此，对于各个燃料电池231、232可以分别提供电压测量值221。

在图2b中示出的示例中，第一燃料电池231具有减小的测量值221。这是关于如下的指示，即，第一燃料电池231是损坏的(例如由于燃料和/或氧化剂的供给不足或由于缺陷)。(控制)装置103可以设立为引起：如果基于电压测量序列220探测到损坏的燃料电池231，那么停用燃料电池系统100。

可能发生的是，用于第一燃料电池231的测量模块210具有缺陷，且作为由此的结果示出针对第一燃料电池231的错误的、特别是减小的或者完全没有的电压测量值221。这导致：虽然第一燃料电池231没有损坏，但是停用燃料电池系统100。有缺陷的测量模块210因此可能导致燃料电池系统100的可用性降低。

如从图2b得知，损坏的第一燃料电池231通常对一个或多个(直接)相邻的燃料电池232的电压测量值221产生影响。特别是从图2b可以看出，如果第一燃料电池231具有缺陷，那么一个或多个(直接)相邻的燃料电池232的电压测量值221也会减小。另一方面，如果第一燃料电池231没有缺陷，那么一个或多个(直接)相邻的燃料电池232的电压测量值221通常不会减小。

该效果可用于区分第一情况与第二情况，在所述第一情况下第一燃料电池231的减小的电压测量值221可归因于第一燃料电池231的缺陷，在所述第二情况下第一燃料电池231的减小的电压测量值221可归因于第一燃料电池231的测量模块210的缺陷。在出现第二情况时，不需要停用燃料电池系统100，从而可以提高燃料电池系统100的可用性。

因此可以观测到：关键的电池231的相邻电池232的电压水平同样随着时间降低。该关系可用于：即使没有单个电池231的数据221，也可以做出关于所述电池231的状态的可靠的结论。特别是可以分析电压测量序列220的模式，以便判定：燃料电池堆102是否具有损坏的电池231。为此目的，可以基于训练数据对识别单元进行机器训练。识别单元例如可以包括决策树(所述决策树包括一个或多个电压阈值)，在此可以在决策树的范围中判定、特别是训练准则(特别是阈值)，所述准则能实现：根据相邻电池232决定：电池231是否处于关键状态。决策树可以通常以资源高效的方式实现在(控制)装置103的微控制器上。

因此描述一种评估机制，其根据所判定的准则来检查电池231的相邻电池232。如果符合和/或满足准则，那么可以认为相应的电池231是损坏的。

在示例性情况下，可能对于电池231不存在(可靠的)测量值221。利用所描述的评估机制可以根据决策单元检查：电池231实际上是否是损坏的和/或供给不足。在另一示例中可以对于所有电池231、232存在测量值221。于是可以例如通过考虑具有最小的测量值221的电池231必要时及早地识别和/或预测所述电池231的损坏和/或供给不足。用于识别损坏的电池231的评估机制和准则可以预先借助于对大量数据进行自动化验证来确定。

图3示出用于监视燃料电池堆102的(必要时计算机实现的)方法300的流程图，所述燃料电池堆具有第一燃料电池231和至少一个与之相邻的燃料电池232。燃料电池堆102通常具有多个燃料电池101、231、232(例如100个或更多个或者200个或更多个燃料电池101、231、232)。

方法300包括确定301由(必要时直接)相邻的燃料电池232生成的电压的电压测量值232。为此目的可以使用相邻的燃料电池232的电压测量模块210。必要时，针对第一燃料电池231可以不确定电压测量值231(例如由于用于第一燃料电池231的测量模块210的缺陷)。必要时可以仅确定由第一燃料电池231生成的电压的相对低的电压测量值231(所述相对低的电压测量值例如可以由于损坏的第一燃料电池231或由于损坏的测量模块210引起)。

此外，方法300包括基于由相邻的燃料电池232生成的电压的所确定的电压测量值232来探测或预测302第一燃料电池231的损坏。因此，直接相邻的燃料电池232的电压测量可以用于以有效且可靠的方式识别：第一燃料电池231实际上是否损坏。这能实现，以有效且可靠的方式避免对第一燃料电池231的损坏的错误识别。

通过在本文中描述的措施可以通过有效且可靠的方式识别和/或预测(或者必要时排除)燃料电池堆102的燃料电池231的损坏。如此可以提高燃料电池堆102的可用性。

本发明不限于示出的实施例。特别是应注意的是：描述和附图仅仅应示例性地阐明所提出的方法、装置和系统的原理。

附图标记列表

100燃料电池系统

101燃料电池

102燃料电池堆

103(控制)装置

110压力容器

112管路(燃料)

201(朝向管路的)端板

202管路(氧化剂)

203双极板

204膜电极组件

207(背向管路的)端板

208管路(燃料)

209氧化剂输送器

210测量模块

220测量序列

221测量值

231所考虑的(第一)燃料电池

232相邻的燃料电池

300用于监视燃料电池堆的方法

301-302方法步骤

Claims (10)

1.用于监视燃料电池堆(102)的装置(103)，所述燃料电池堆具有第一燃料电池(231)和至少一个与之相邻的燃料电池(232)；其中，所述装置(103)设立为：

-确定由相邻的燃料电池(232)生成的电压的电压测量值(232)；以及

-基于由相邻的燃料电池(232)生成的电压的所确定的电压测量值(232)探测或预测第一燃料电池(231)的损坏。

2.根据权利要求1所述的装置(103)，其中，

-燃料电池堆(102)具有多个相邻的燃料电池(232)，所述多个相邻的燃料电池与第一燃料电池(231)相邻；以及

-所述装置(103)设立为：

--确定由相应所述多个相邻的燃料电池(232)分别生成的电压的多个电压测量值(232)；以及

--基于多个所确定的电压测量值(232)探测或预测第一燃料电池(231)的损坏。

3.根据上述权利要求之一所述的装置(103)，其中，所述装置(103)设立为，根据经机器学习的决策单元基于所确定的电压测量值(232)来探测或预测第一燃料电池(231)的损坏。

4.根据权利要求3所述的装置(103)，其中，所述决策单元包括具有经机器学习的决策准则的决策树。

5.根据上述权利要求之一所述的装置(103)，其中，所述装置(103)设立为，在不使用由第一燃料电池(231)生成的电压的电压测量值(221)的情况下探测或预测第一燃料电池(231)的损坏。

6.根据上述权利要求之一所述的装置(103)，其中，所述装置(103)设立为，基于由相邻的燃料电池(232)生成的电压的电压测量值(232)判定：是否：

-存在第一燃料电池(231)的损坏；或者

-存在用于确定由第一燃料电池(231)生成的电压的电压测量值(221)的测量模块(210)的损坏。

7.根据上述权利要求之一所述的装置(103)，其中，所述装置(103)设立为，

-将由相邻的燃料电池(232)生成的电压的所确定的电压测量值(232)与电压阈值、特别是经机器学习的电压阈值进行比较；以及

-基于该比较判定：是否存在或将存在第一燃料电池(231)的损坏。

8.根据上述权利要求之一所述的装置(103)，其中，

-所述燃料电池堆(102)包括多个燃料电池(101、231、232)；以及

-所述装置(103)设立为，

--确定针对相应多个燃料电池(101、231、232)的具有多个电压测量值(221)的电压测量序列(220)；以及

--基于电压测量序列(220)特别是在使用用于模式识别的算法的情况下探测或预测第一燃料电池(231)的损坏。

9.根据上述权利要求之一所述的装置(103)，其中，所述装置(103)设立为，如果已探测或预测到、特别是仅仅当已探测或预测到：存在或将存在第一燃料电池(231)的损坏，那么引起用于保护燃料电池堆(102)的保护措施。

10.用于监视燃料电池堆(102)的方法(300)，所述燃料电池堆具有第一燃料电池(231)和至少一个与之相邻的燃料电池(232)；其中，所述方法(300)包括：

-确定(301)由相邻的燃料电池(232)生成的电压的电压测量值(232)；以及

-基于由相邻的燃料电池(232)生成的电压的所确定的电压测量值(232)来探测或预测(302)第一燃料电池(231)的损坏。