DE102010038602B4 - Fuel cell system, vehicle with a fuel cell system and method for detecting degradation mechanisms - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellenanlage mit mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (2) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem elektrischen Speicher zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie, mit Messeinrichtungen und/oder Sensoren zur Messung von Betriebsparametern der Brennstoffzelleneinheit (2) und mit einem elektrischen Verbraucher, wobei die Brennstoffzelleneinheit (2) mit einer Diagnoseeinheit gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diagnoseeinheit ein ortsaufgelöstes, detailliertes physikalisches Modell zur Ermittlung physikalischer Zustände in der Brennstoffzelleneinheit (2) auf Basis der detektierten Betriebsparameter abgelegt ist, und die Diagnoseeinheit zur Durchführung einer internen Fehleranalyse und/oder zur ortsaufgelösten Erkennung von Degradationen und/oder zur Abschätzung von Degradationswahrscheinlichkeiten innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (2) eine kontinuierliche Überwachung der physikalischen Zustände in der Brennstoffzelleneinheit (2) vornimmt.Fuel cell system having at least one fuel cell unit (2) for generating electrical energy, with an electrical memory for storing and delivering electrical energy, with measuring devices and / or sensors for measuring operating parameters of the fuel cell unit (2) and with an electrical load, wherein the fuel cell unit (2 ) is coupled to a diagnostic unit, characterized in that in the diagnostic unit a spatially resolved, detailed physical model for determining physical conditions in the fuel cell unit (2) based on the detected operating parameters is stored, and the diagnostic unit for performing an internal fault analysis and / or spatially resolved detection of degradation and / or for estimation of degradation probabilities within the fuel cell unit (2) performs a continuous monitoring of the physical conditions in the fuel cell unit (2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.
Eine solche Brennstoffzellenanlage ist beispielsweise aus dem Dokument
Um die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlage sicherzustellen, werden Informationen über die Degradation und die Dynamik einer Gaserzeugungseinheit der Brennstoffzellenanlage abgefragt. Dazu ist in der Brennstoffzellenanlage eine Diagnoseeinheit vorgesehen, welches zur intelligenten Steuerung des Systems mittels eines vereinfachten kennlinienbasierten mathematischen Modell (0-D-Modell) Kennwerte ermittelt. Dazu greift die Diagnoseeinheit in bestimmten Zeitabständen aktiv in den Betrieb der Brennstoffzellenanlage ein, um während einer kurzen Diagnosephase Systemparameter für das kennlinienbasierte, mathematische Modell abzufragen. Um eine Prognose der Degradation der einzelnen Brennstoffzellen bzw. der einzelnen Brennstoffzellenstacks zu treffen, wird durch die ermittelten Systemparameter eine Abschätzung der integralen Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle im Hinblick auf systemgegebene kennlinienbasierte Betriebsgrenzen durchgeführt.In order to ensure the availability and reliability of the system, information about the degradation and dynamics of a gas generating unit of the fuel cell system is queried. For this purpose, a diagnostic unit is provided in the fuel cell system, which determines characteristic values for the intelligent control of the system by means of a simplified characteristic-based mathematical model (0-D model). For this purpose, the diagnostic unit actively intervenes in the operation of the fuel cell system at certain time intervals in order to query system parameters for the characteristic-based, mathematical model during a short diagnostic phase. In order to make a prognosis of the degradation of the individual fuel cells or of the individual fuel cell stacks, the determined system parameters are used to estimate the integral performance of the fuel cell with regard to system-given characteristic-based operating limits.
Mit anderen Worten werden mit Hilfe des mathematischen Modells Modellausgangsgrößen für die Spannung innerhalb der Brennstoffzellenanlage berechnet und mit den gemessenen Größen entsprechend verglichen. Aus den gegebenenfalls vorhandenen Unterschieden werden verbesserte bzw. veränderte Modellparameter abgeleitet.In other words, using the mathematical model, model output quantities for the voltage within the fuel cell system are calculated and compared with the measured quantities accordingly. From the differences that may exist, improved or changed model parameters are derived.
Der Betrieb der Brennstoffzellenanlage wird entsprechend dem Ergebnis des Abgleichs fortgesetzt, oder es werden lebensdauerverlängernde Änderungen des Betriebs der Brennstoffzellenanlage durch eine Steuereinheit in die Wege geleitet.The operation of the fuel cell system is continued according to the result of the adjustment or life-prolonging changes in the operation of the fuel cell system are initiated by a control unit.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das offenbarte Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug für die Steuergeräteprogrammierung regelungsorientierte, nicht-physikalische Modelle nutzt, um die zu erwartende elektrische Leistung der Brennstoffzelle zu modulieren und die Systemkomponenten entsprechend aktiv zu steuern. Da eine Änderung der Betriebsart der Brennstoffzelle abhängig von dieser Prognose innerhalb von Sekundenbruchteilen getroffen und zur Fehlervermeidung auf geänderte Betriebsbedingungen oder Leistungsanforderungen umgehend reagiert werden muss, sind die Rechen-Modelle möglichst einfach zu wählen, um mit ihnen möglichst kurze Rechenzeiten zu realisieren. Durch die hohen Anforderungen an die Rechengeschwindigkeit der Modelle kommen mathematische 0-D-Modelle zum Einsatz. Mit diesen können jedoch keine Aussagen über physikalische Zustände und Zustandsänderungen innerhalb der Brennstoffzelle getroffen werden. Somit können auch die Auswirkungen einzelner Betriebszustände nicht direkt auf physikalische Prozesse in der Brennstoffzelle rückgekoppelt werden, was eine Bestimmung der Degradation oder einer Degradationswahrscheinlichkeit nur sehr ungenau und oberflächlich zulässt.In summary, it can be stated that the disclosed fuel cell system in a fuel cell vehicle for ECU programming uses control-oriented, non-physical models to modulate the expected electric power of the fuel cell and to actively control the system components accordingly. Since a change in the operating mode of the fuel cell has to be made within fractions of a second depending on this prognosis and promptly respond to changed operating conditions or performance requirements to avoid errors, the rake models are as easy to choose as possible to implement the shortest possible computing times. Due to the high demands on the computing speed of the models, mathematical 0-D models are used. With these, however, no statements can be made about physical conditions and changes of state within the fuel cell. Thus, the effects of individual operating conditions can not be fed back directly to physical processes in the fuel cell, which allows a determination of degradation or a degradation probability only very inaccurate and superficial.
Die
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage bereitzustellen, die eine zuverlässigere Erkennung und/oder Abschätzung von Degradation innerhalb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that enables more reliable detection and / or estimation of degradation within the fuel cell unit.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1.
Mit anderen Worten wird eine Quantifizierung physikalischer Degradationsmechanismen durch kontinuierliche Überwachung der Prozesse und Zustände innerhalb der Brennstoffzelleneinheit möglich. Durch kontinuierliche Erfassung bestimmter physikalischer Größen können auch Einflüsse besonderer Betriebsbedingungen auf die Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer der Brennstoffzelle aufgezeigt und berücksichtigt werden. Auch der Ort des Auftretens oder der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Degradation kann wesentlich genauer und zuverlässiger bestimmt und Faktoren wie beispielsweise der Zustand in der Membran lokal aufgelöst werden.In other words, quantification of physical degradation mechanisms becomes possible by continuously monitoring the processes and conditions within the fuel cell unit. By continuously recording certain physical quantities, influences of special operating conditions on the performance or service life of the fuel cell can also be shown and taken into account. Also, the location of the occurrence or the probability of the occurrence of degradation can be determined much more accurately and reliably, and factors such as the condition in the membrane can be resolved locally.
Die lokale Auflösung ermöglicht, Aussagen über unterschiedliches Verhalten verschiedener Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstacks zu treffen, welcher zusammen mit der Gasversorgung eine Brennstoffzelleneinheit bilden kann.The local resolution makes it possible to make statements about different behavior of different fuel cells of a fuel cell stack, which together with the gas supply can form a fuel cell unit.
Ferner kann mittels der aufgelösten Aussage eines Auftretens von Degradationsmechanismen oder leistungsreduzierende Einflüsse auf einfache Weise an einem Brennstoffzellen-Fahrzeug gezielte Wartungs- und Reparaturarbeiten durchgeführt werden. Es ist nicht mehr notwendig, ganze Brennstoffzelleneinheiten beim Auftreten eines Problems auszutauschen. Statt dessen kann von der Diagnoseeinheit unmittelbar die Information abgegriffen werden, wo in der Brennstoffzelleneinheit eine Degradation oder ein Leistungsabfall aufgetreten ist oder wo eine Degradation mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit in den nächsten Betriebsstunden auftreten wird. Dabei kann erfindungsgemäß eine Differenzierung zwischen Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstack, Brennstoffzelleneinheit und deren Gasversorgung erfolgen. Ein entsprechender Austausch kann vom Nutzer anschließend in die Wege geleitet werden.Furthermore, by means of the resolved statement of an occurrence of degradation mechanisms or performance-reducing influences, targeted maintenance and repair work can be carried out in a simple manner on a fuel cell vehicle. It is no longer necessary to use whole fuel cell units when a problem occurs exchange. Instead, the diagnostic unit can directly access the information about where degradation or loss of power has occurred in the fuel cell unit or where degradation is very likely to occur in the next operating hours. In this case, a differentiation between fuel cell, fuel cell stack, fuel cell unit and their gas supply can be carried out according to the invention. A corresponding exchange can then be initiated by the user.
Durch die direkte Weiterverarbeitung der Betriebsdaten von Zuständen beispielsweise in der Membran der Brennstoffzelleneinheit, dem eigentlichen Herzstück der Brennstoffzelleneinheit, kann somit für die Versagensmechanismen und Fehlersuche auf eine Speicherung aller Betriebszustände des Systems verzichtet werden, da diese direkt zu den zu erwartenden Fehlermechanismen weiterverarbeitet werden können und beispielsweise online einer Regelungsstrategie zur Verfügung gestellt werden. Bei einer nachträglichen Wartung des Fahrzeugs können diese aus dem Speicher abgerufen und zu Reparaturzwecken weiterverwendet werden.Due to the direct further processing of the operating data of states, for example in the membrane of the fuel cell unit, the actual heart of the fuel cell unit, can thus be omitted for the failure mechanisms and troubleshooting on storage of all operating conditions of the system, as they can be further processed directly to the expected failure mechanisms and For example, be made available online a regulatory strategy. In a subsequent maintenance of the vehicle, these can be retrieved from the memory and used for repair purposes.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Überwachung physikalischer Zustände in der Brennstoffzelleneinheit einen Befeuchtungszustand einer Membran und von Elektroden der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Stickstoffanreicherung einer Anode der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Ausdünnung der Membran der Brennstoffzelleneinheit.In one embodiment of the present invention, the monitoring of physical conditions in the fuel cell unit comprises a humidification state of a membrane and electrodes of the fuel cell unit and / or a nitrogen enrichment of an anode of the fuel cell unit and / or a thinning of the membrane of the fuel cell unit.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage sieht vor, dass die Diagnoseeinheit zur Ermittlung der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit auf Messeinrichtungen und/oder Sensoren zugreift, die von der Brennstoffzellenanlage auch zur Parameterermittlung und Steuerung weiterer Komponenten der Brennstoffzellenanlage nutzbar sind. So ist es beispielsweise auch möglich, bestehende Systeme mit einer erfindungsgemäßen Diagnoseeinheit nachzurüsten.A particularly cost-effective embodiment of the fuel cell system according to the invention provides that the diagnostic unit accesses measuring devices and / or sensors for determining the physical states of the fuel cell unit, which can also be used by the fuel cell system for parameter determination and control of further components of the fuel cell system. For example, it is also possible to retrofit existing systems with a diagnostic unit according to the invention.
Um eine besonders zuverlässige Auswertung der detektierten physikalischen Eingangsgrößen zu ermöglichen, ist in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das ortsaufgelöste, detaillierte physikalische Modell zur Berechnung von Degradationsmerkmalen auf Basis der ermittelten physikalischen Zustände und/oder zur Speicherung der physikalischen Zustände innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet.In order to enable a particularly reliable evaluation of the detected physical input variables, in one exemplary embodiment of the present invention, the spatially resolved, detailed physical model is designed for calculating degradation characteristics on the basis of the determined physical states and / or for storing the physical states within the fuel cell.
Das physikalische Modell kann ein dreidimensionales Modell sein. Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeuges sein.The physical model can be a three-dimensional model. The electrical load may be, for example, an electric drive motor for driving a vehicle.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen physikalischen 3D-Modells sei beispielhaft der Einfluss auf die Membrandegradation beschrieben. Die chemische Degradation einer solchen Membran wird im Wesentlichen durch eine Kombination von OH-Radikalbildung über die Fentonsche Gleichung und einen Radikalmechanismus einer Seitenkettenverschiebung beschrieben. An den Elektroden wird ein Modell einer Beschreibung der Wasserstoffoxidationsreaktion, der Sauerstoffreduktionsreaktion und der Wasserstoffperoxidbildungsreaktion an der anodischen Seite verbunden. So kann die Zellspannungsdegradation als Reaktion auf die strukturelle Entwicklung der Polymerelektrolytmembran insbesondere deren Ausdünnung vorhergesagt werden.To illustrate the physical 3D model according to the invention, the influence on the membrane degradation is described by way of example. The chemical degradation of such a membrane is essentially described by a combination of OH radical formation via the Fenton equation and a radical mechanism of side chain shift. At the electrodes, a model of a description of the hydrogen oxidation reaction, the oxygen reduction reaction and the hydrogen peroxide generation reaction is connected to the anodic side. Thus, the cell voltage degradation can be predicted in response to the structural evolution of the polymer electrolyte membrane, especially its thinning.
Diese Ausdünnung der Membran, führt wiederum zu einer verstärktem Gaspermeation durch die Membran. Da der Gasdurchtritt durch die Membran temperatur- und befeuchtungsabhängig ist, können lokale Unterschiede im Grad der Ausdünnung entstehen. Durch die Gradienten in der Membrandicke kann sich auch die Reaktionsverteilung entlang des Gaskanals verändern. Im Modell wird für jeden berechneten Zeitschritt das Berechnungsgebiet der Membran entsprechend angepasst und in der weiteren Berechnung berücksichtigt.This thinning of the membrane in turn leads to increased gas permeation through the membrane. Since the gas passage through the membrane is dependent on temperature and humidity, local differences in the degree of thinning can occur. The gradient in the membrane thickness can also change the reaction distribution along the gas channel. In the model, the calculation area of the membrane is adjusted accordingly for each calculated time step and taken into account in the further calculation.
Somit erfolgt die ortsaufgelöste Modellierung über mehrere, inhomogen angeströmte 1 + 1D Modelle, die lokal an den Reaktionsschichten einen hohen Detaillierungsgrad aufweisen und Stackeffekte über unterschiedliche Randbedingungen der Medienzufuhr berücksichtigen. Hierfür werden die aktuellen Betriebszustände der Systemkomponenten (Luftversorgung, Brennstoffzufuhr, Thermomanagement), die dem Brennstoffzellenstack Medien zuführen, vom Steuergerät des Systems an die ortsaufgelösten Modelle, insbesondere 3D-Modelle übergeben.Thus, the spatially resolved modeling is done over several inhomogeneously flowed 1 + 1D models, which have a high level of detail locally at the reaction layers and take into account stack effects over different boundary conditions of the media supply. For this purpose, the current operating states of the system components (air supply, fuel supply, thermal management), which supply the fuel cell stack media, transferred from the control unit of the system to the spatially resolved models, in particular 3D models.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Diagnoseeinheit ein Fehlersignal erzeugt, wenn mindestens ein in der Diagnoseeinheit abgelegter Grenzwert mindestens eines physikalischen Zustands der Brennstoffzelleneinheit oder ein in der Diagnoseeinheit abgelegter Schweregrad eines Fehlers oder einer Abweichung erreicht bzw. überschritten wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass beispielsweise ein verstärkter Verschleiß aufgrund eines in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstack auftretenden Degradationsmechanismus zu einem vollständigen Versagen der Brennstoffzellenanlage führt.In a further embodiment of the present invention, it is provided that the diagnostic unit generates an error signal when at least one limit value stored in the diagnostic unit of at least one physical state of the fuel cell unit or a severity level of an error or a deviation stored in the diagnostic unit is reached or exceeded. In this way, it can be prevented that, for example, increased wear due to a degradation mechanism occurring in a fuel cell or a fuel cell stack leads to a complete failure of the fuel cell system.
Um eine möglichst einfache Ortung des fehlerhaften Abschnitts der Brennstoffzelleneinheit zu ermöglichen, enthält das Fehlersignal in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Informationen bezüglich des Ortes des Auftretens und der Fehlerart.In order to enable the simplest possible location of the faulty section of the fuel cell unit, the error signal contains in one Embodiment of the present invention Information regarding the location of the occurrence and the type of error.
Wenn ein von der Diagnoseeinheit ausgegebenes Fehlersignal ein in der Brennstoffzellenanlage vorgesehenes Wartungssignal aktiviert und/oder zur Vermeidung eines totalen Versagens die betroffene Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit von der Brennstoffzellenanlage temporär oder dauerhaft entkoppelt, muss ein Nutzer der Brennstoffzellenanlage allenfalls eine kurzzeitige Leistungseinbuße seiner Brennstoffzellenanlage in Kauf nehmen und wird gleichzeitig über einen entsprechenden Fehler informiert. Der Fehler kann dann durch einfaches Abfragen des Ortes des Auftreten beispielsweise in einer Werkstatt behoben werden.If an error signal output by the diagnostic unit activates a maintenance signal provided in the fuel cell system and / or permanently or permanently decouples the affected fuel cell or fuel cell unit from the fuel cell system to avoid total failure, a user of the fuel cell system must at most accept a short-term performance loss of his fuel cell system and is simultaneously informed about a corresponding error. The error can then be corrected by simply querying the place of occurrence, for example in a workshop.
Um den Betrieb der Brennstoffzellenanlage möglichst unbeeinflusst von der kontinuierlichen Überwachung der physikalischen Zustände in der Brennstoffzelleneinheit belassen zu können, ist einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Diagnoseeinheit von der Steuerung der Brennstoffzellenanlage derart entkoppelt, dass eine kontinuierliche Abfrage der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine detaillierte physikalische Betrachtung der Brennstoffzelleneinheit ohne unmittelbaren Eingriff in einen Betriebszustand der Brennstoffzellenanlage durchführbar ist.In order to leave the operation of the fuel cell system as possible unaffected by the continuous monitoring of the physical conditions in the fuel cell unit, an embodiment of the present invention, the diagnostic unit of the control of the fuel cell system is decoupled such that a continuous query the physical states of the fuel cell unit and / or a detailed physical consideration of the fuel cell unit without direct intervention in an operating condition of the fuel cell system is feasible.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von Degradationsmechanismen in einer Brennstoffzellenanlage, die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst, welche mit einer Diagnoseeinheit gekoppelt ist, einen elektrischen Speicher zur Speicherung oder Abgabe elektrischer Energie aufweist, sowie einen elektrischen Verbraucher, insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeuges, umfasst folgende Schritte:
- – Detektieren physikalischer Zustände in der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit durch ein in der Diagnoseeinheit vorgesehenes Diagnosemodul;
- – Berechnen von degradations- oder leistungsspezifischen Kenngrößen der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit auf Basis der detektierten physikalischen Werte mittels eines ortsaufgelösten, detaillierten, physikalischen Modells;
- – Vergleichen der durch die Berechnung erhaltenen Kenngrößen mit in dem Diagnosemodul abgelegten Grenzwerten, wobei bei Erreichen eines Grenzwertes ein Fehlersignal von dem Diagnosemodul erzeugt und an ein Steuergerät der Brennstoffzellenanlage zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird.
- - detecting physical conditions in the fuel cell or fuel cell unit by a diagnostic module provided in the diagnostic unit;
- Calculating degradation or performance-specific characteristics of the fuel cell or fuel cell unit on the basis of the detected physical values by means of a spatially resolved, detailed physical model;
- Comparing the parameters obtained by the calculation with limit values stored in the diagnostic module, wherein upon reaching a limit value, an error signal is generated by the diagnostic module and forwarded to a control unit of the fuel cell system for storage and / or further processing.
Um eine Schädigung des Gesamtsystems der Brennstoffzellenanlage oder auch nur Teilbereiche davon zu vermeiden, kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen, dass das Steuergerät bei Erhalt eines Fehlersignals von der Diagnoseeinheit die betroffene Brennstoffzelleneinheit vom Gesamtsystem abkapselt oder der betroffene Bereich überbrückt. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgend genauer beschriebene Zeichnung verwiesen.In order to avoid damage to the entire system of the fuel cell system or only partial areas thereof, the method may further comprise the step that the control unit, upon receipt of an error signal from the diagnostic unit encapsulates the affected fuel cell unit from the overall system or bridges the affected area. With regard to further advantageous embodiments of the present invention, reference is made to the dependent claims and the drawing described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Nachfolgend wird das Prinzip der Brennstoffanlage sowie das dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von Degradationsmechanismen in einer Brennstoffzellenanlage zugrundeliegende Modell näher erläutert.The principle of the fuel system and the model underlying the method according to the invention for the detection of degradation mechanisms in a fuel cell system are explained in more detail below.
Eine der Hauptschwierigkeiten der Verwendung von Niedertemperaturbrennstoffzellen wie beispielsweise PEFC-Brennstoffzellen in Fahrzeugen ist deren beschränkte Lebensdauer. Dabei wird ein Leistungsabfall der Brennstoffzelle einer Vielzahl von chemischen Effekten geschuldet, beispielsweise Korrosion, Oxidation oder eine Vergiftung der Zelle durch lokale Absorption von Verunreinigung oder mechanische und chemische Degradation. Alle diese Phänomene wirken zur gleichen Zeit während des Betriebs auf die Brennstoffzellen. Da diese auch stark von den Betriebsbedingungen und Materialien abhängen, ist es relativ schwierig, den Einfluss der einzelnen Störfaktoren auf die Verringerung des Brennstoffzellenpotentials über die Zeit abzuschätzen.One of the major difficulties of using low temperature fuel cells such as PEFC fuel cells in vehicles is their limited life. In this case, a drop in performance of the fuel cell is due to a variety of chemical effects, such as corrosion, oxidation or poisoning of the cell by local absorption of impurity or mechanical and chemical degradation. All of these phenomena act on the fuel cells at the same time during operation. Since these also depend strongly on the operating conditions and materials, it is relatively difficult to estimate the influence of the individual disturbing factors on the reduction of the fuel cell potential over time.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen physikalischen 3D-Modells wird nunmehr beispielhaft der Einfluss auf die Membrandegradation beschrieben.To illustrate the physical 3D model according to the invention, the influence on the membrane degradation will now be described by way of example.
Die Medienflüsse
Wie in
Die chemische Degradation einer solchen Membran wird im Wesentlichen durch eine Kombination von OH-Radikalbildung über die Fentonsche Gleichung und einen Radikalmechanismus einer Seitenkettenverschiebung beschrieben. An den Elektroden wird ein Modell einer Beschreibung der Wasserstoffoxidationsreaktion, der Sauerstoffreduktionsreaktion und der Wasserstoffperoxidbildungsreaktion an der anodischen Seite vorgesehen. So kann die Zellspannungsdegradation als Reaktion auf die strukturelle Entwicklung der Polymerelektrolytmembran insbesondere deren Ausdünnung vorhergesagt werden.The chemical degradation of such a membrane is essentially described by a combination of OH radical formation via the Fenton equation and a radical mechanism of side chain shift. At the electrodes, a model of description of the hydrogen oxidation reaction, the oxygen reduction reaction and the hydrogen peroxide generation reaction on the anodic side is provided. Thus, the cell voltage degradation can be predicted in response to the structural evolution of the polymer electrolyte membrane, especially its thinning.
Diese Ausdünnung der Membran führt wiederum zu einer verstärktem Gaspermeation durch die Membran. Da der Gasdurchtritt durch die Membran temperatur- und befeuchtungsabhängig ist, können lokale Unterschiede im Grad der Ausdünnung entstehen. Durch die Gradienten in der Membrandicke kann sich auch die Reaktionsverteilung entlang des Gaskanals verändern. Im Modell wird für jeden berechneten Zeitschritt das Berechnungsgebiet der Membran entsprechend angepasst und in der weiteren Berechnung berücksichtigt.This thinning of the membrane in turn leads to an increased gas permeation through the membrane. Since the gas passage through the membrane is dependent on temperature and humidity, local differences in the degree of thinning can occur. The gradient in the membrane thickness can also change the reaction distribution along the gas channel. In the model, the calculation area of the membrane is adjusted accordingly for each calculated time step and taken into account in the further calculation.
Somit erfolgt die ortsaufgelöste Modellierung über mehrere inhomogen angeströmte 1 + 1D Modelle, die lokal an den Reaktionsschichten einen hohen Detaillierungsgrad aufweisen und Stackeffekte über unterschiedliche Randbedingungen der Medienzufuhr berücksichtigen. Hierfür werden die aktuellen Betriebszustände der Systemkomponenten (Luftversorgung, Brennstoffzufuhr, Thermomanagement), die dem Brennstoffzellenstack Medien zuführen, vom Steuergerät des Systems an die ortsaufgelösten Modelle übergeben.Thus, the spatially resolved modeling is carried out by several inhomogeneously flowed 1 + 1D models, which have a high level of detail locally at the reaction layers and take into account stack effects over different boundary conditions of the media supply. For this purpose, the current operating states of the system components (air supply, fuel supply, thermal management), which supply media to the fuel cell stack, are transferred from the control unit of the system to the spatially resolved models.
Zur Veranschaulichung wird im Folgenden ein Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage beschrieben. In diesem Anwendungsbeispiel kommt die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage zum Einsatz, um einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges anzutreiben.For the sake of illustration, an application example for a fuel cell system according to the invention will be described below. In this application example, the fuel cell system according to the invention is used to drive an electric drive motor of a motor vehicle.
In dem Kraftfahrzeug ist eine Brennstoffzellenanlage vorgesehen, die mehrere Brennstoffzelleneinheiten zur Erzeugung elektrischer Energie aufweist, um diese in einem Energiespeicher zur Versorgung des Antriebsmotors zu speichern und bei Bedarf an letzteren abzugeben.In the motor vehicle, a fuel cell system is provided, which has a plurality of fuel cell units for generating electrical energy to store them in an energy store for supplying the drive motor and deliver it to the latter when needed.
Jede dieser Brennstoffzelleneinheiten ist mit einer Diagnoseeinheit verbunden, welche zur Durchführung einer internen Fehleranalyse eine kontinuierliche Überwachung physikalischer Zustände in den jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten durchführt. Die Diagnoseeinheit weist hierzu ein ortsaufgelöstes, detailliertes physikalisches Modell zur Berechnung von Degradationsmerkmalen auf Basis der ermittelten physikalischen Zustände und zur Speicherung der physikalischen Zustände innerhalb der Brennstoffzelleneinheit auf.Each of these fuel cell units is connected to a diagnostic unit, which carries out a continuous monitoring of physical conditions in the respective fuel cell units in order to carry out an internal fault analysis. For this purpose, the diagnostic unit has a spatially resolved, detailed physical model for calculating degradation characteristics on the basis of the determined physical states and for storing the physical states within the fuel cell unit.
Treten während des Betriebs des Fahrzeuges physikalische Änderungen in einer der Brennstoffzelleneinheiten auf, welche beispielsweise ein schleichendes Versagen einer der Komponenten zur Folge haben könnten, erfolgt ein Abgleich der damit einhergehenden physikalischen Werte mit in der Diagnoseeinheit abgelegten Grenz- oder Schwellwerten, welcher beispielsweise auch als Hinweis auf einen Schweregrad eines Fehlers innerhalb der Brennstoffzellenanlage dienen kann. Bei Erreichen oder Überschreiten dieser Grenz- bzw. Schwellwerte, z. B. bei einer Undichtigkeit in der Luftführung der Brennstoffzelle, erzeugt die Diagnoseeinheit ein Fehlersignal, welches genaue Informationen bezüglich des Ortes des Auftretens und der Fehlerart enthält.If during the operation of the vehicle physical changes occur in one of the fuel cell units, which could, for example, result in a creeping failure of one of the components, an adjustment of the associated physical values takes place with limit or threshold values stored in the diagnostic unit, which also serves as an indication, for example can serve to a severity level of a fault within the fuel cell system. Upon reaching or exceeding these threshold or threshold values, z. As in a leak in the air flow of the fuel cell, the diagnostic unit generates an error signal containing accurate information regarding the location of the occurrence and the type of error.
Dieses von der Diagnoseeinheit ausgegebene Fehlersignal wird an das Steuergerät der Brennstoffzellenanlage weitergegeben. Dort bewirkt der Eingang dieses Fehlersignals eine Aktivierung eines in dem Steuergerät hinterlegten Wartungssignals. Dieses wird in dem Nutzer des Fahrzeugs am Armaturenbrett durch Aufleuchten einer Wartungsleuchte kenntlich gemacht. Der Fahrer kann durch diese Leuchte oder gegebenenfalls durch eine weitere gegebenenfalls akustische Anweisung dazu aufgefordert werden, zu Wartungs- und Reparaturarbeiten eine Fachwerkstatt umgehend anzusteuern.This error signal output by the diagnostic unit is forwarded to the control unit of the fuel cell system. There, the input of this error signal causes an activation of a stored in the control unit maintenance signal. This is indicated in the user of the vehicle on the dashboard by lighting a maintenance lamp. The driver can be prompted by this lamp or possibly by a further possibly acoustic instruction to promptly inspect a specialist workshop for maintenance and repair work.
In der Fachwerkstatt erfolgt dann ein Auslesen der Diagnoseeinheit, was dazu führt, dass der Ort der Störung oder des Fehlers für Reparaturarbeiten unmittelbar kenntlich gemacht werden. Eine zeitintensive Fehlersuche ist somit nicht mehr notwendig.In the specialist workshop then read the diagnostic unit, which means that the location of the fault or error for repair work are immediately identified. Time-consuming troubleshooting is therefore no longer necessary.
Statt dessen gibt die Diagnoseeinheit beispielsweise bei einer Undichtigkeit in der Luftzuführung aufgrund einer Fehlerdetektion an den Sensoren zur Luftmengenmessung bzw. der Eintrittstemperaturen, bei einer Datenerkennung, die auf einen verstärkten Verschleiß aufgrund eines Degradationsmechanismus führen könnten zu einer Speicherung dieser Daten auf der Diagnoseeinheit, zusammen mit der Information, wo dieses Problem innerhalb der Brennstoffzelle aufgetreten ist. Eine solche Fehlermeldung könnte z. B. folgendermaßen lauten: „die letzten drei Zellen waren für eine bestimmte Zeitdauer X bezüglich der Sauerstoffzufuhr unterversorgt, wodurch eine verstärkte Membranausdünnung aufgetreten ist. Dies fördert mit großer Wahrscheinlichkeit einen Zerfall des Kohlenstoffbackings nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden”. Ein Mechaniker kann auf Basis dieser Information entscheiden, ob er nun die letzten drei Zellen des Brennstoffzellenstacks Nr. X austauscht oder auch den kompletten Brennstoffzellenstack ersetzt, um einen Ausfall der Brennstoffzellenanlage zu vermeiden.Instead, the diagnostic unit, for example, with a leak in the air supply due to an error detection at the sensors for air flow measurement or the inlet temperatures at a data detection, which could lead to increased wear due to a degradation mechanism for storing this data on the diagnostic unit, together with the information on where this problem has occurred within the fuel cell. Such an error message could z. "The last three cells were undersupplied with oxygen supply for a certain period of time X, resulting in increased membrane thinning. This most likely promotes decay of the carbon backbone after a certain number of hours of operation. " On the basis of this information, a mechanic can decide whether to replace the last three cells of the fuel cell stack No. X or to replace the entire fuel cell stack in order to avoid failure of the fuel cell system.
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