DE102010026638B4 - Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle (12) in einem Brennstoffzellenstapel (10), wobei das Verfahren umfasst:
Messen der elektrischen Spannung jeder Brennstoffzelle (12) in dem Brennstoffzellenstapel (10);
Ermitteln der elektrischen Zellenmindestspannung der gemessenen elektrischen Spannungen (46);
Berechnen einer durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung aus den gemessenen elektrischen Spannungen (42);
Ermitteln einer Differenz zwischen der berechneten durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung und der elektrischen Zellenmindestspannung (50);
Ermitteln, ob die Differenz einen ersten vorbestimmten Schwellenwert der elektrischen Spannung übersteigt (54);
Ermitteln, ob die elektrische Zellenmindestspannung kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert der elektrischen Spannung ist (56);
Inkrementieren eines ersten Zeitglieds, wenn sowohl die Differenz den ersten vorbestimmten Schwellenwert der elektrischen Spannung übersteigt als auch die elektrische Zellenmindestspannung kleiner als der zweite vorbestimmte Schwellenwert der elektrischen Spannung ist (58);
Berechnen eines Verhältnisses zwischen dem ersten Zeitglied und einem zweiten Zeitglied, das die Betriebszeit des Brennstoffzellenstapels (10) angibt; und
Ermitteln, ob das Verhältnis einen vorbestimmten Prozentsatz übersteigt, um zu ermitteln, ob der Brennstoffzellenstapel (10) eine leistungsschwache Zelle (12) umfasst (62).

Description

  • Regierungsvertrag
  • Die U.S.-Regierung hat eventuell eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung und das Recht, unter bestimmten Umständen vom Patentinhaber zu fordern, zu angemessenen Bedingungen, die durch die Bedingungen des vom U.S.-Energieministerium vergebenen Regierungsvertrags/Projekts vorgesehen sind, anderen eine Lizenz zu gewähren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein System und Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel, das das Messen der elektrischen Spannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bei niedriger Stapelleistung und das Ermitteln eines Verhältnisses eines Zeitglieds einer leistungsschwachen Zelle zu einem Stapelbetrieb-Zeitglied umfasst, um die leistungsschwache Zelle zu detektieren.
  • Hierzu sei an dieser Stelle zur Hintergrundinformation vorab auf die Druckschriften DE 697 01 432 T2 , DE 10 2007 050 856 A1 , DE 691 23 822 T2 und DE 10 2004 017 848 A1 verwiesen.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können den Elektrolyten nicht passieren und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch eine Last geleitet, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen üblicherweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem lonomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
  • In einem Brennstoffzellenstapel werden zum Erzeugen der Sollleistung üblicherweise mehrere Brennstoffzellen kombiniert. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsreaktandgas, typischerweise einen mittels eines Kompressors durch den Stapel zwangsweise geleiteten Luftstrom. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktandgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
  • Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen, die das Anodenreaktandgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengas-Strömungskanäle vorgesehen, die das Kathodenreaktandgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, beispielsweise Edelstahl oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
  • Bei Alterung eines Brennstoffzellenstapels verschlechtern sich die Leistung der einzelnen Zellen in dem Stapel infolge verschiedener Faktoren unterschiedlich. Es gibt verschiedene Ursachen für leistungsschwache Zellen, beispielsweise Flutung der Zelle, Verlust des Katalysators, etc., manche zeitweilig und manche dauerhaft, wobei manche Wartung erfordern und manche das Ersetzen des Stapels erfordern, um diese leistungsschwachen Zellen auszutauschen. Auch wenn die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, nimmt die elektrische Spannung jeder Zelle unterschiedlich ab, wenn eine Last über dem Stapel angelegt wird, wobei die Zellen, die leistungsschwach sind, niedrigere elektrische Spannungen aufweisen. Daher ist es erforderlich, die elektrischen Zellenspannungen der Brennstoffzellen in dem Stapel zu überwachen, um sicherzustellen, dass die elektrischen Spannungen der Zellen nicht unter eine vorbestimmte elektrische Schwellenspannung fallen, um eine Umkehr der Polarität der elektrischen Zellenspannung zu verhindern, die möglicherweise eine bleibende Schädigung der Zelle hervorruft.
  • Derzeitige Methoden zum Detektieren leistungsschwacher Zellen in einem Brennstoffzellenstapel schätzten üblicherweise elektrische Zellenspannungen, um die leistungsschwache Zelle zu detektieren. Auch wenn das Schätzen von elektrischer Zellenspannung recht genau sein kann, kann es zuverlässiger sein, eine Methode zum Ermitteln einer leistungsschwachen Zelle vorzusehen, die die elektrischen Zellenspannungen tatsächlich misst.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel mit Hilfe gemessener elektrischer Zellenspannungen offenbart. Das System umfasst eine Messvorrichtung, die durchschnittliche elektrische Zellenspannung und elektrische Zellenmindestspannung in dem Stapel feststellen kann. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, dass der Brennstoffzellenstapel arbeitet, die Stapelkühlmitteltemperatur über einer bestimmten Temperatur liegt und die elektrische Stromdichte des Stapels innerhalb eines relativ niedrigen Leistungsbereichs liegt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Berechnen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung und das Ermitteln, ob die Differenz zwischen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung und der elektrischen Zellenmindestspannung größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Wenn die Differenz zwischen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung und der elektrischen Zellenmindestspannung größer als der vorbestimmte Schwellenwert ist und die elektrische Zellenmindestspannung kleiner als ein anderer vorbestimmter Schwellenwert ist, dann inkrementiert das Verfahren das Zeitglied einer leistungsschwachen Zelle, das hier im Kontext auch als erstes Zeitglied bezeichnet wird. Ein Verhältnis des Zeitglieds der leistungsschwachen Zelle und eines Zeitglieds für Systembetrieb, das hier im Kontext auch als zweites Zeitglied bezeichnet wird, wird berechnet, und wenn das Verhältnis größer als ein bestimmter Prozentsatz ist und die Betriebszeit größer als eine vorbestimmte Zeit ist, dann wird eine leistungsschwache Zelle detektiert. Diese Feststellungsentscheidung kann dem anderen Algorithmus gemeldet werden, um bestimmte Abhilfemaßnahmen durchzuführen, beispielsweise Verringern des zulässigen elektrischen Stroms des Stapels.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel, der einen Überwachungsschaltkreis für leistungsschwache Zellen umfasst; und
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel zeigt.
  • Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
  • 1 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 10, der mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 12 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst auch einen positiven Pol 14 und einen negativen Pol 16, die mit den Brennstoffzellen 12 elektrisch verbunden sind. An den Polen 14 und 16 ist eine Systemlast 18 elektrisch angeschlossen. Ein Spannungsüberwachungsschaltkreis 20 ist mit den Brennstoffzellen 12 elektrisch verbunden und überwacht die elektrische Spannung jeder der Brennstoffzellen 12. Wie nachstehend näher erläutert wird, überwacht der Brennstoffzellenüberwachungsschaltkreis 20 die elektrische Spannung der Brennstoffzellen 12 sieht eine durchschnittliche elektrische Zellenspannung und eine elektrische Zellenmindestspannung vor, die von einem Steuergerät verwendet werden können, um eine leistungsschwache Zelle festzustellen.
  • Wie nachstehend erläutert wird, umfasst die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle (LPC, kurz vom engl. Low Performing Cell) in dem Brennstoffzellenstapel 10, das das Verwenden tatsächlicher gemessener elektrischer Zellenspannungen und des Verhältnisses eines Zeitglieds tLPC einer leistungsschwachen Zelle und eines Zeitglieds tRUN eines System betriebs umfasst.
  • 2 ist ein Flussdiagramm 30, das einen Prozess für den Algorithmus zeigt, der auf diese Weise die leistungsschwache Zelle detektiert. Der Algorithmus löscht zuerst bei Feld 32 die Zeitglieder tLPC und tRUN. Der Algorithmus ermittelt nur eine leistungsschwache Zelle, wenn der Brennstoffzellenstapel in Betrieb ist, d.h. wenn elektrischer Strom von dem Brennstoffzellenstapel 10 aufgenommen wird, die Stapelkühlmitteltemperatur über einer bestimmten Temperatur liegt, die anzeigt, dass der Stapel 10 entsprechende Leistung liefern kann, und die elektrische Stromdichte des Stapels innerhalb eines niedrigen Leistungsbereichs liegt, beispielsweise 0,1 - 0,4 A/cm2. Bei Entscheidungsraute 34 ermittelt der Algorithmus somit, ob der Brennstoffzellenstapel 10 in Betrieb ist, und wenn nicht, kehrt er zum Beginn des Prozesses zurück, ermittelt bei Entscheidungsraute 36, ob die Kühlmitteltemperatur des Stapels über einem vorbestimmten Wert liegt, zum Beispiel 57°C, und wenn nicht, kehrt er zum Beginn des Prozesses zurück, und ermittelt bei Entscheidungsraute 38, ob die elektrische Stromdichte des Stapels zwischen 0,1 - 0,4 A/cm2 liegt, und wenn nicht, kehrt er zum Beginn des Prozesses zurück. Der Grund, warum der Prozess auf einen niedrigen Bereich elektrischer Stromdichte beschränkt ist, ist, eine Frühwarnanzeige zu erzeugen und zu verhindern, dass das System höhere elektrische Stromdichten aufnimmt, wenn eine leistungsschwache Zelle detektiert wird. Wenn all diese Bedingungen erfüllt sind, inkrementiert der Algorithmus bei Feld 40 das Betriebszeitglied tRUN.
  • Jede elektrische Zellenspannung wird gemessen, bei Feld 42 wird eine durchschnittliche elektrische Zellenspannung CVavg berechnet und bei Feld 44 wird die berechnete durchschnittliche elektrische Zellenspannung CVavg tiefpassgefiltert. Ferner wird bei Feld 46 die elektrische Zellenmindestspannung CVmin ermittelt und wird bei Feld 48 tiefpassgefiltert. Dann ermittelt der Algorithmus bei Feld 50 die Differenz zwischen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung CVavg und der elektrischen Zellenmindestspannung CVmin und unterzieht bei Feld 52 die Spannungsdifferenz einem exponentiell gewichteten gleitenden Mittelwert. Der exponentiell gewichtete gleitende Mittelwert beseitigt scharfe Transienten aus den Berechnungen infolge schneller Änderungen auf die elektrischen Zellenspannungen während der Messungen.
  • Die Differenz zwischen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung CVavg und der elektrischen Zellenmindestspannung CVmin wird dann bei Entscheidungsraute 54 mit einem Spannungsschwellenwert verglichen, der eine Funktion von elektrischer Stromdichte des Stapels ist. Abhängig davon, wo in dem Stromdichtebereich des Stapels die Spannungsmessungen aktuell genommen werden, bestimmt insbesondere, wie der Spannungsschwellenwert ausfällt, wo der Schwellenwert kleiner wird, wenn die elektrische Stromdichte des Stapels abnimmt. Wenn die Differenz zwischen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung CVavg und der elektrischen Zellenmindestspannung CVmin bei der Entscheidungsraute 54 nicht größer als der Schwellenwert ist, dann wird das Zeitglied tLPC der leistungsschwachen Zelle nicht inkrementiert.
  • Der Algorithmus ermittelt bei Entscheidungsraute 56, ob die elektrische Zellenmindestspannung CVmin kleiner als ein vorbestimmter Spannungsschwellenwert ist, der auch eine Funktion der elektrischen Stromdichte des Stapels ist, und wenn nicht, wird das Zeitglied tLPC der leistungsschwachen Zelle nicht inkrementiert. Wenn sowohl die Differenz zwischen der durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung CVavg und der elektrischen Zellenmindestspannung CVmin bei Entscheidungsraute 54 größer als der Spannungsschwellenwert ist als auch die elektrische Zellenmindestspannung CVmin bei der Entscheidungsraute 56 kleiner als der Spannungsschwellenwert ist, dann wird bei Feld 58 das Zeitglied tLPC der leistungsschwachen Zelle inkrementiert.
  • Dann berechnet der Algorithmus bei Feld 60 ein Verhältnis des Zeitglieds tLPC der leistungsschwachen Zelle zu dem Betriebszeitglied tRUN und ermittelt dann bei Entscheidungsraute 62, ob das Verhältnis tLPC/tRUN kleiner oder gleich einem bestimmten vorbestimmten Verhältnis, zum Beispiel 90%, ist und ob das Betriebszeitglied tRUN größer als eine bestimmte vorbestimmte Zeit, zum Beispiel 600 Sekunde, ist. Wenn bei Entscheidungsraute 62 das Verhältnis tLPC/tRUN kleiner als 90% ist und das Betriebszeitglied tRUN größer als 600 Sekunden ist, dann liegt keine leistungsschwache Zelle vor und die Betriebszeit hat ihren maximalen Betriebszeitwert für den Prozess überschritten. Somit werden bei Feld 64 die Zeitglieder tRUN und tLPC zurückgesetzt. Die maximale Betriebszeit wird vorgesehen, weil nicht bekannt ist, wie lange der Stapel 10 tatsächlich in Betrieb sein wird.
  • Wenn bei Entscheidungsraute 62 das Verhältnis von tLPC/tRUN größer als 90% ist oder das Betriebszeitglied tRUN kleiner als 600 Sekunde ist, dann ermittelt der Algorithmus bei Entscheidungsraute 66, ob das Verhältnis tLPC/tRUN größer als 90% ist und das Betriebszeitglied tRUN größer oder gleich zum Beispiel 60 Sekunden ist. Eine Betriebszeit von 60 Sekunden wird als willkürliche Zeit gewählt, um die Instabilität zu beseitigen, die bei Stapelstart auftreten kann, so dass eine Detektion einer leistungsschwachen Zelle nicht auftritt, bis der Brennstoffzellenstapel 10 stabiler arbeitet.
  • Wenn bei Entscheidungsraute 66 das Verhältnis von tLPC/tRUN nicht größer als 90% ist oder das Betriebszeitglied tRUN nicht größer als 60 Sekunden ist, dann wird bei Feld 68 keine leistungsschwache Zelle detektiert und der Algorithmus kehrt zum Anfang zurück. Wenn aber bei Entscheidungsraute 66 das Verhältnis tLPC/tRUN größer als 90% ist und das Betriebszeitglied tRUN größer als 60 Sekunden ist, dann wird bei Feld 70 eine leistungsschwache Zelle detektiert und ein entsprechendes Flag gesetzt. Dann kann der Algorithmus bei Feld 72 bestimmte Abhilfemaßnahmen ergreifen, beispielsweise Sollwerttransienten des elektrischen Stroms beschränken, was schließlich die zulässige Stromaufnahme von dem Brennstoffzellenstapel 10 beschränkt.
  • Das Verhältnis tLPC/tRUN kann einen Hinweis auf eine leistungsschwache Zelle geben, da das Zeitglied tLPC inkrementiert wird, je länger die elektrische Zellenmindestspannung CVmin über den gleichen Betriebszeitraum unter einem bestimmten vorbestimmten Schwellenwert liegt. Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 mit anderen Worten betrieben wird und die elektrische Zellenmindestspannung CVmin unter dem Schwellenwert gehalten wird, dann wird das Verhältnis tLPC/tRUN nahe 100% sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 32
    Zeitglieder löschen
    34
    Brennstoffzellenstapel im Zustand Vollbetrieb?
    36
    Kühlmitteltemperatur des Stapels >= 57°C
    38
    Elektrische Stromdichte des Stapels liegt zwischen 0,1 - 0,4 A/cm2
    40
    tRUN inkrementieren
    42
    CVavg
    44
    Tiefpassfiltern
    46
    CVmin
    48
    Tiefpassfiltern
    50
    CVavg - CVmin
    52
    Exponentiell gewichteter gleitender Mittelwert
    54
    >=f(elektrische Stromdichte)?
    56
    <=f(elektrische Stromdichte)?
    58
    tLPC inkrementieren
    60
    tLPC/tRUN
    62
    tLPC/tRUN <= 90%? UND tRUN >= 600 s?
    64
    Zeitglieder zurücksetzen
    66
    tLPC/tRUN > 90%? UND tRUN >= 600 s?
    68
    Vorheriges Flag für LPC-Detektion halten
    70
    Das Flag für LPC-Detektion setzen
    72
    Stromsollwerttransiente beschränken

Claims (9)

  1. Verfahren zum Detektieren einer leistungsschwachen Zelle (12) in einem Brennstoffzellenstapel (10), wobei das Verfahren umfasst: Messen der elektrischen Spannung jeder Brennstoffzelle (12) in dem Brennstoffzellenstapel (10); Ermitteln der elektrischen Zellenmindestspannung der gemessenen elektrischen Spannungen (46); Berechnen einer durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung aus den gemessenen elektrischen Spannungen (42); Ermitteln einer Differenz zwischen der berechneten durchschnittlichen elektrischen Zellenspannung und der elektrischen Zellenmindestspannung (50); Ermitteln, ob die Differenz einen ersten vorbestimmten Schwellenwert der elektrischen Spannung übersteigt (54); Ermitteln, ob die elektrische Zellenmindestspannung kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert der elektrischen Spannung ist (56); Inkrementieren eines ersten Zeitglieds, wenn sowohl die Differenz den ersten vorbestimmten Schwellenwert der elektrischen Spannung übersteigt als auch die elektrische Zellenmindestspannung kleiner als der zweite vorbestimmte Schwellenwert der elektrischen Spannung ist (58); Berechnen eines Verhältnisses zwischen dem ersten Zeitglied und einem zweiten Zeitglied, das die Betriebszeit des Brennstoffzellenstapels (10) angibt; und Ermitteln, ob das Verhältnis einen vorbestimmten Prozentsatz übersteigt, um zu ermitteln, ob der Brennstoffzellenstapel (10) eine leistungsschwache Zelle (12) umfasst (62).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin auch das Ermitteln umfasst, ob das zweite Zeitglied eine vorbestimmte Betriebszeit überschritten hat, um zu ermitteln, ob in dem Brennstoffzellenstapel eine leistungsschwache Zelle vorliegt (66).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte Betriebszeit 60 Sekunden beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Prozentsatz 90% beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Schwellenwert der elektrischen Spannung eine Funktion von elektrischer Stromdichte des Stapels (10) sind, wobei sich der erste und der zweite Schwellenwert der elektrischen Spannung abhängig von der elektrischen Stromdichte des Stapels (10) ändern.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Inkrementieren des zweiten Zeitglieds um vorbestimmte Zeitabstände und das Zurücksetzen des ersten Zeitglieds und des zweiten Zeitglieds umfasst, wenn das zweite Zeitglied eine maximale Betriebszeit erreicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die maximale Betriebszeit 600 Sekunden beträgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Detektieren einer leistungsschwachen Zelle nur umfasst, wenn sich der Brennstoffzellenstapel (10) in einem Betriebszustand befindet und eine Kühlmitteltemperatur des Stapels (10) über einer vorbestimmten Temperatur liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Detektieren der leistungsschwachen Zelle nur umfasst, wenn die elektrische Stromdichte des Stapels (10) zwischen 0,1 und 0,4 A/cm2 liegt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8374808B2 (en) * 2010-01-20 2013-02-12 GM Global Technology Operations LLC Detection method for membrane and electrode failures in fuel cell stacks
JP5440461B2 (ja) * 2010-09-13 2014-03-12 株式会社リコー 校正装置、距離計測システム、校正方法および校正プログラム
GB2546729B (en) * 2016-01-19 2022-02-16 Intelligent Energy Ltd Fuel cell controller, fuel cell system and method of operation
US10634727B2 (en) * 2017-11-29 2020-04-28 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack cell voltage sensor diagnostic
US10971745B2 (en) * 2018-01-10 2021-04-06 GM Global Technology Operations LLC Cell reversal diagnostics for a fuel cell stack
CN109031130B (zh) * 2018-05-31 2021-04-09 轻客小觅机器人科技(成都)有限公司 一种电量校准方法及装置
CN110082688B (zh) * 2019-06-25 2019-09-20 潍柴动力股份有限公司 一种燃料电池的性能检测方法及装置
CN112713289B (zh) * 2020-12-25 2022-04-15 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池控制方法、装置、设备及存储介质
US11757116B1 (en) * 2022-06-10 2023-09-12 Hydrogenics Corporations Dynamic adjustment of current or power draw for fuel cell applications with enhanced transient capabilities

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69123822T2 (de) 1990-06-08 1997-07-10 Ballard Power Systems Verfahren zur funktionsüberwachung von brennstoffzellen
DE69701432T2 (de) 1996-08-26 2000-08-03 Gen Motors Corp PEM Brennstoffzelle-Überwachungssystem
DE102004017848A1 (de) 2003-04-14 2004-11-11 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Ereignis- und effizienzgesteuertes Schaltverfahren und -system für Anordnungen aus mehreren Brennstoffzellenstapeln
DE102007050856A1 (de) 2006-10-27 2008-05-21 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Brennstoffzellenstartoptimierung
DE102009007167A1 (de) 2008-02-06 2009-08-27 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Online-Vorhersage und -Detektion leistungsschwacher Zellen (LPC) von Brennstoffzellensystemen

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1069636B1 (de) * 1999-07-06 2016-03-23 GM Global Technology Operations LLC Brennstoffzellenstapel-Überwachungs- und Steuerungssystem
DE19960761C1 (de) * 1999-12-16 2001-05-23 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Überwachung der Restladung und der Leistungsfähigkeit einer Batterie
KR100387491B1 (ko) * 2000-12-28 2003-06-18 현대자동차주식회사 전기 자동차의 배터리 고장 진단방법
JP2002334726A (ja) * 2001-05-09 2002-11-22 Nissan Motor Co Ltd 組電池の異常セル検出装置および異常セル検出方法
DE10342146A1 (de) * 2003-09-12 2005-04-07 Daimlerchrysler Ag Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit
JP2007309839A (ja) * 2006-05-19 2007-11-29 Fuji Electric Systems Co Ltd 組電池状態測定装置、組電池劣化判定方法および組電池劣化判定プログラム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69123822T2 (de) 1990-06-08 1997-07-10 Ballard Power Systems Verfahren zur funktionsüberwachung von brennstoffzellen
DE69701432T2 (de) 1996-08-26 2000-08-03 Gen Motors Corp PEM Brennstoffzelle-Überwachungssystem
DE102004017848A1 (de) 2003-04-14 2004-11-11 General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware), Detroit Ereignis- und effizienzgesteuertes Schaltverfahren und -system für Anordnungen aus mehreren Brennstoffzellenstapeln
DE102007050856A1 (de) 2006-10-27 2008-05-21 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Brennstoffzellenstartoptimierung
DE102009007167A1 (de) 2008-02-06 2009-08-27 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Online-Vorhersage und -Detektion leistungsschwacher Zellen (LPC) von Brennstoffzellensystemen

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