DE102013021472A1 - Method and device for monitoring an operating state of at least one fuel cell - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle (2), bei welchem ein elektrischer Widerstand (R) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) ermittelt wird. Dabei ist vorgesehen, dass zu einem ersten Zeitpunkt (t0) eine sprunghafte Stromänderung (ΔI) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) durchgeführt und erfasst wird und eine von der Stromänderung (ΔI) abhängige zeitliche Spannungsänderung (ΔU) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t0) und einem zweiten Zeitpunkt erfasst wird, wobei der elektrische Widerstand (R) anhand der Spannungsänderung (ΔU) ermittelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (8) zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle (2).The invention relates to a method for monitoring an operating state of at least one fuel cell (2), in which an electrical resistance (R) of the at least one fuel cell (2) is determined. It is provided that at a first time (t0) a sudden change in current (.DELTA.I) of the at least one fuel cell (2) is performed and detected and dependent on the current change (.DELTA.I) temporal voltage change (.DELTA.U) of the at least one fuel cell (2). between the first time (t0) and a second time is detected, wherein the electrical resistance (R) is determined based on the voltage change (.DELTA.U). Furthermore, the invention relates to a device (8) for monitoring an operating state of at least one fuel cell (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a method for monitoring an operating state of at least one fuel cell according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for monitoring an operating state of at least one fuel cell according to the preamble of claim 8.

Aus der DE 102 20 172 B4 ist ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustands einer elektrochemischen Vorrichtung bekannt, bei dem mit Hilfe einer Messvorrichtung an Anschlüssen der elektrochemischen Vorrichtung eine Impedanz gemessen wird. In einer Auswertevorrichtung wird der Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung anhand der Größe eines Imaginärteils der gemessenen Impedanz überwacht.From the DE 102 20 172 B4 a method for monitoring the operating state of an electrochemical device is known in which an impedance is measured by means of a measuring device at terminals of the electrochemical device. In an evaluation device, the operating state of the electrochemical device is monitored on the basis of the size of an imaginary part of the measured impedance.

Weiterhin ist aus der DE 10 2010 005 400 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Luftfeuchte in einer Brennstoffzelle bekannt, wobei eine Sprungantwort der Abgabespannung einer Brennstoffzelle bei unterbrochener Versorgung elektrischer Verbraucher erfasst und aus der erfassten Sprungantwort Parameter des dynamischen Zeitverhaltens ermittelt wird, wobei damit eine Kapazität der Brennstoffzelle errechnet wird. In Abhängigkeit einer eventuellen Abweichung von einer vorgegebenen Kapazität wird eine Befeuchtungssteuereinheit dazu veranlasst, die Befeuchtung zu erhöhen oder zu senken. Damit wird eine in situ Erfassung des Feuchtehaushalts einer Brennstoffzelle möglich.Furthermore, from the DE 10 2010 005 400 A1 a device and a method for controlling the humidity in a fuel cell known, wherein a step response of the output voltage of a fuel cell with interrupted supply electrical consumers detected and determined from the detected step response parameter of the dynamic time behavior, whereby a capacity of the fuel cell is calculated. Depending on a possible deviation from a given capacity, a humidification control unit is caused to increase or decrease the humidification. This makes it possible to record the moisture balance of a fuel cell in situ.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved method and an improved device for monitoring an operating condition of at least one fuel cell.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch die in Anspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.The object is achieved with respect to the method by the in claim 1 and in terms of the device by the features specified in claim 8.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei einem Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle wird ein elektrischer Widerstand der mindestens einen Brennstoffzelle ermittelt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zu einem ersten Zeitpunkt eine sprunghafte Stromänderung der mindestens einen Brennstoffzelle durchgeführt und erfasst wird und eine von der Stromänderung abhängige Spannungsänderung der mindestens einen Brennstoffzelle zwischen dem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt erfasst wird, wobei der elektrische Widerstand anhand der Spannungsänderung ermittelt wird.In a method for monitoring an operating state of at least one fuel cell, an electrical resistance of the at least one fuel cell is determined. According to the invention, a sudden change in current of the at least one fuel cell is performed and detected at a first time and a voltage change of the at least one fuel cell dependent on the current change is detected between the first time and a second time, wherein the electrical resistance is determined based on the voltage change becomes.

Mittels des Verfahrens ist eine Bestimmung des elektrischen Widerstands der mindestens einen Brennstoffzelle auf einfache Art und Weise möglich, wobei anhand des elektrischen Widerstands eine elektrische Leitfähigkeit einer in der mindestens einen Brennstoffzelle angeordneten Membran ermittelbar ist, mittels der ein Feuchtigkeitsgehalt einer in der mindestens einen Brennstoffzelle angeordneten Membran ermittelbar ist. Das Verfahren bedient sich dabei dem allgemein bekannten Ohmschen Gesetz, in dem aus der erfassten Spannungsänderung eine Widerstandsänderung der Brennstoffzelle ermittelt wird. Die elektrische Leitfähigkeit ist dabei als Kehrwert des ermittelten elektrischen Widerstands der Brennstoffzelle definiert. Das Verfahren wird dabei vorzugsweise zur Überwachung eines Betriebszustands mehrere Brennstoffzellen, welche zu einem Brennstoffzellenmodul zusammengeführt sind, durchgeführt.By means of the method, a determination of the electrical resistance of the at least one fuel cell in a simple manner possible, wherein based on the electrical resistance, an electrical conductivity of a arranged in the at least one fuel cell membrane can be determined by means of a moisture content of a arranged in the at least one fuel cell Membrane can be determined. The method uses the well-known Ohm's law, in which a change in resistance of the fuel cell is determined from the detected voltage change. The electrical conductivity is defined as the reciprocal of the determined electrical resistance of the fuel cell. The method is preferably carried out for monitoring an operating state of a plurality of fuel cells, which are brought together to form a fuel cell module.

Für eine sprunghafte Stromänderung wird die mindestens eine Brennstoffzelle mit einem elektrischen Verbraucher, z. B. eine Energiespeichereinrichtung, gekoppelt. Beispielsweise kann bei Anordnung der mindestens einen Brennstoffzelle in einem Fahrzeug als ein elektrischer Verbraucher eine Batterie des Fahrzeugs verwendet werden, so dass keine zusätzlichen Komponenten für eine Stromentnahme aus der Brennstoffzelle notwendig sind.For a sudden change in current is the at least one fuel cell with an electrical load, eg. As an energy storage device coupled. For example, when arranging the at least one fuel cell in a vehicle as an electrical consumer, a battery of the vehicle may be used, so that no additional components for a current drain from the fuel cell are necessary.

Die Stromänderung erfolgt vorzugsweise in einer Zeitspanne von weniger als 10 μs, so dass diese leicht von anderen betriebsbedingten Stromänderungen der Brennstoffzelle unterscheidbar ist. Weiterhin ist dies von Vorteil, da eine Übertragungsleitung zur Erfassung der Stromänderung und/oder der Spannungsänderung für einen begrenzten Zeitraum eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit zugeordnet wird. Damit kann das Verfahren auch während eines Betriebs der mindestens einen Brennstoffzelle erfolgen, womit zur Durchführung des Verfahrens kein bestimmter Messbetriebszustand notwendig ist.The change in current preferably takes place in a time span of less than 10 μs, so that it is easily distinguishable from other operational changes in the fuel cell. Furthermore, this is advantageous since a transmission line for detecting the change in current and / or the voltage change is assigned a higher transmission speed for a limited period of time. Thus, the method can also take place during operation of the at least one fuel cell, so that no specific measurement operating state is necessary for carrying out the method.

Da eine Spannungsänderung einer Brennstoffzelle durch verschiedene Größen, z. B. der elektrische Widerstand, eine Durchtrittsüberspannung und/oder ein Diffusionswiderstand, beeinflusst wird, welche verschiedene Zeitkonstanten aufweisen, wobei der elektrische Widerstand die kleinste Zeitkonstante aufweist, wird die Spannungsänderung in weniger als 100 μs nach der durchgeführten Stromänderung erfasst.Since a voltage change of a fuel cell by different sizes, eg. B. the electrical resistance, a passage overvoltage and / or a diffusion resistance, which have different time constants, wherein the electrical resistance has the smallest time constant, the voltage change is detected in less than 100 microseconds after the current change carried out.

In Abhängigkeit der ermittelten Feuchtigkeit der Membran, kann diese geregelt und/oder gesteuert werden. Beispielsweise ist eine Erhöhung oder eine Verringerung der Feuchtigkeit der Membran durch Einstellung bestimmter Betriebsparameter, wie z. B. eine Befeuchtung, eine Temperatur, eine Stöchiometrie und/oder ein Druck der mindestens einen Brennstoffzelle, möglich.Depending on the determined moisture of the membrane, this can be controlled and / or controlled. For example, an increase or a decrease in the moisture of the membrane is due to Setting certain operating parameters, such. As a humidification, a temperature, a stoichiometry and / or pressure of the at least one fuel cell, possible.

Eine Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle, mittels welcher ein elektrischer Widerstand der mindestens einen Brennstoffzelle ermittelbar ist, umfasst erfindungsgemäß zumindest eine erste Erfassungseinheit und zumindest eine zweite Erfassungseinheit, welche miteinander und jeweils mit der mindestens einen Brennstoffzelle gekoppelt sind, wobei mittels der zumindest einen ersten Erfassungseinheit eine zu einem ersten Zeitpunkt durchgeführte Stromänderung und mittels der zumindest einen zweiten Erfassungseinheit eine aus der Stromänderung resultierenden Spannungsänderung zwischen dem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt erfassbar sind, und wobei mittels einer Steuereinheit der elektrische Widerstand anhand der Spannungsänderung ermittelbar ist.A device for monitoring an operating state of at least one fuel cell, by means of which an electrical resistance of the at least one fuel cell can be determined, comprises according to the invention at least one first detection unit and at least one second detection unit, which are coupled together and respectively to the at least one fuel cell, wherein by means of at least a first detection unit is a current change carried out at a first time and by means of the at least one second detection unit a voltage change resulting from the current change between the first time and a second time can be detected, and wherein the electrical resistance can be determined by means of a control unit based on the voltage change.

Mittels der Vorrichtung ist eine Ermittlung des elektrischen Widerstands der mindestens einen Brennstoffzelle mit wenigen zusätzlichen Komponenten und auf einfache Art und Weise möglich. Ein komplexer Messstromkreis ist dabei nicht notwendig.By means of the device, a determination of the electrical resistance of the at least one fuel cell with a few additional components and in a simple manner possible. A complex measuring circuit is not necessary.

In einem möglichen Ausführungsbeispiel sind die zumindest eine erste Erfassungseinheit und/oder die zumindest eine zweite Erfassungseinheit miteinander und/oder mit der mindestens einen Brennstoffzelle über einen CAN-Bus gekoppelt. Der CAN-Bus ist bei Anordnung der mindestens einen Brennstoffzelle in einem Fahrzeug bereits vorhanden, so dass keine zusätzlichen Übertragungsleitungen notwendig sind. Darüber hinaus ist eine Übertragungsgeschwindigkeit des CAN-Busses variierbar, so dass für diesen für eine kurze Zeit zur Erfassung der Strom- und/oder Spannungsänderung eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit zuordenbar ist.In one possible embodiment, the at least one first detection unit and / or the at least one second detection unit are coupled to one another and / or to the at least one fuel cell via a CAN bus. The CAN bus is already present in the arrangement of the at least one fuel cell in a vehicle, so that no additional transmission lines are necessary. In addition, a transmission speed of the CAN bus can be varied, so that a maximum transmission speed can be assigned to it for a short time for detecting the current and / or voltage change.

Zur Verringerung von Störimpulsen bei der Stromänderung, ist zur Kopplung der mindestens einen Brennstoffzelle mit einem elektrischen Verbraucher ein elektronischer Schalter, z. B. ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, vorgesehen, welcher gegenüber einem mechanischen Schalter ein zumindest verringertes Prellverhalten aufweist.To reduce glitches in the change in current, is an electronic switch, for coupling the at least one fuel cell with an electrical load, for. As a metal-oxide-semiconductor field effect transistor, provided, which has an at least a reduced bounce compared to a mechanical switch.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch ein zweidimensionales Koordinatensystem mit einer Strom-Zeit-Kurve und einer Spannungs-Zeit-Kurve und 1 schematically a two-dimensional coordinate system with a current-time curve and a voltage-time curve and

2 schematisch ein vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung zur Überwachung eines Betriebszustands einer Brennstoffzelle. 2 schematically a simplified circuit diagram of an apparatus for monitoring an operating condition of a fuel cell.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

In 1 ist ein kartesisches Koordinatensystem 1 dargestellt, welches aus zwei zusammengelegten Koordinatensystemen 1 gebildet ist, deren Abszisse jeweils die Zeit t zugeordnet ist. Der Ordinate des einen Koordinatensystems 1 ist dabei eine elektrische Spannung U und der Ordinate des anderen Koordinatensystems 1 ein elektrischer Strom I zugeordnet. Somit sind der Ordinate des dargestellten Koordinatensystems 1 zwei Parameter zugeordnet.In 1 is a Cartesian coordinate system 1 represented, which consists of two combined coordinate systems 1 is formed, the abscissa each time t is assigned. The ordinate of the one coordinate system 1 is an electrical voltage U and the ordinate of the other coordinate system 1 an electric current I assigned. Thus, the ordinate of the illustrated coordinate system 1 two parameters assigned.

In dem Koordinatensystem 1 ist in einem unteren Bereich eine Strom-Zeit-Kurve SZK einer in 2 dargestellten Brennstoffzelle 2 gezeigt, welche eine Erfassung eines elektrischen Stroms I der Brennstoffzelle 2 darstellt. Die Strom-Zeit-Kurve SZK weist einen wertediskreten Verlauf auf, wobei zu einem ersten Zeitpunkt t0 der Brennstoffzelle 2 ein elektrischer Strom I mit einem bestimmten Wert entnommen wird, was in der Strom-Zeit-Kurve SZK durch eine sprunghafte Stromänderung ΔI, insbesondere einen Stromsprung, auf den bestimmten Wert gekennzeichnet ist, auf welchem die Strom-Zeit-Kurve SZK im weiteren Verlauf verbleibt. Die Stromentnahme aus der Brennstoffzelle 2 kann beispielsweise durch Kopplung dieser mit einer Energiespeichervorrichtung erfolgen. Der elektrische Strom I kann dazu z. B. als sogenannter Load Dump-Impuls in die Energiespeichereinrichtung geleitet werden.In the coordinate system 1 is in a lower region a current-time curve SZK a in 2 illustrated fuel cell 2 which shows a detection of an electric current I of the fuel cell 2 represents. The current-time curve SZK has a value-discrete course, wherein at a first time t0 of the fuel cell 2 an electric current I is taken with a certain value, which is characterized in the current-time curve SZK by a sudden change in current .DELTA.I, in particular a current jump, to the specific value on which the current-time curve SZK remains in the course , The current drain from the fuel cell 2 can be done for example by coupling this with an energy storage device. The electric current I can z. B. are passed as a so-called load dump pulse in the energy storage device.

In einem oberen Bereich des Koordinatensystems 1 ist eine Spannungs-Zeit-Kurve SpZK der Brennstoffzelle 2 dargestellt, welche eine Erfassung einer elektrischen Spannung U der Brennstoffzelle 2 darstellt und welche zum ersten Zeitpunkt t0 eine sprunghafte Spannungsänderung ΔU, insbesondere einen Spannungsabfall, und darauf folgend einen exponentiell abfallenden Verlauf aufweist. Die sprunghafte Spannungsänderung ΔU resultiert dabei gemäß dem Ohmschen Gesetz aus der Ausleitung des elektrischen Stroms I aus der Brennstoffzelle 2.In an upper area of the coordinate system 1 is a voltage-time curve SpZK of the fuel cell 2 which shows a detection of an electrical voltage U of the fuel cell 2 represents and which at the first time t0 a sudden voltage change .DELTA.U, in particular a voltage drop, and subsequently has an exponential decaying course. The sudden voltage change .DELTA.U results according to the Ohm's law from the discharge of the electric current I from the fuel cell 2 ,

Anhand des Verlaufs der Spannungs-Zeit-Kurve SpZK ist mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes eine zeitliche Änderung eines elektrischen Widerstands R der Brennstoffzelle 2 ermittelbar, welche zur Bestimmung eines in einer nicht näher dargestellten Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 2 vorhandenen Feuchtigkeitsgehalts herangezogen werden kann. Nach dem Ohmschen Gesetz wird der elektrische Widerstand R als Quotient aus elektrischem Strom I und elektrischer Spannung U ermittelt. Eine zeitliche Änderung des elektrischen Widerstands R ist damit als Quotient aus zeitlicher Stromänderung ΔI und zeitlicher Spannungsänderung ΔU ermittelbar.Based on the course of the voltage-time curve SpZK is a change over time of an electrical resistance R of the fuel cell with the help of Ohm's law 2 determinable, which for determining a in an unspecified electrolyte membrane of the fuel cell 2 existing moisture content can be used. According to Ohm's law, the electrical resistance R is determined as the quotient of the electric current I and the electrical voltage U. A temporal change of the electrical resistance R is thus a quotient of temporal Current change ΔI and voltage change ΔU can be determined.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei insbesondere auf eine Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle kurz: PEM-Brennstoffzelle, eingegangen, welche im Verbund mit weiteren Brennstoffzellen 2 als Brennstoffzellenmodul bevorzugt in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt wird.In the present embodiment, in particular a proton exchange membrane fuel cell in short: PEM fuel cell, received, which in combination with other fuel cells 2 as fuel cell module is preferably used in fuel cell vehicles.

Die Brennstoffzelle 2 besteht aus einer Membran-Elektroden-Einheit, welche zwei Elektroden 2.1, 2.2, insbesondere eine Anode 2.1 und eine Kathode 2.2, aufweist, zwischen denen die Elektrolytmembran angeordnet ist.The fuel cell 2 consists of a membrane-electrode unit, which has two electrodes 2.1 . 2.2 , in particular an anode 2.1 and a cathode 2.2 , between which the electrolyte membrane is arranged.

Die Membran-Elektroden-Einheit ist zwischen zwei ebenfalls nicht näher dargestellten Bipolarplatten angeordnet, die einem Verteilen von Reaktionsstoffen 3, 4 für die Brennstoffzelle 2 über die Membran-Elektroden-Einheit und dem Abführen der Reaktionsstoffe 3, 4 in hierfür vorgesehenen, jeweils zu der Membran-Elektroden-Einheit hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode 2.1 und der Kathode 2.2.The membrane-electrode unit is arranged between two bipolar plates, also not shown in detail, which distributes reactants 3 . 4 for the fuel cell 2 via the membrane-electrode assembly and the removal of the reactants 3 . 4 in this provided, in each case to the membrane electrode unit open towards channels, the removal of the heat of reaction and the production of an electrical connection between the anode 2.1 and the cathode 2.2 ,

Als Reaktionsstoffe 3, 4 werden ein Brennstoff 3 und ein Oxidationsmittel 4 eingesetzt. Üblicherweise werden gasförmige Reaktionsstoffe 3, 4, kurz Reaktionsgase, eingesetzt, z. B. werden der Anode 2.1 über die Bipolarplatte Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas als Brennstoff 3 zugeführt.As reactants 3 . 4 become a fuel 3 and an oxidizing agent 4 used. Usually, gaseous reactants 3 . 4 , short reaction gases, used, for. B. become the anode 2.1 via the bipolar plate hydrogen or a hydrogen-containing gas as fuel 3 fed.

An der Anode 2.1 wird der Brennstoff oxidiert, wobei die dabei frei werdenden Elektronen über einen elektrischen Verbraucher zur Kathode 2.2 abgeführt werden. Die Protonen des Brennstoffs werden über die Elektrolytmembran zur Kathode 2.2 transferiert. Dort rekombinieren die Protonen mit dem der Kathode 2.2 zugeführten Oxidationsmittel 4, z. B. Sauerstoff, und den über den elektrischen Verbraucher zur Kathode 2.2 gewanderten Elektronen zu Wasser. Damit stellt die Elektrolytmembran einen geschlossenen Stromkreislauf in der Brennstoffzelle 2 sicher. Üblicherweise ist die Elektrolytmembran aus organischen Polymeren gebildet, so dass eine elektrische Leitfähigkeit der Elektrolytmembran von deren Wassergehalt oder Feuchtigkeitsgehhalt abhängig ist. Je niedriger also der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran ist, desto höher ist der elektrische Widerstand R und desto niedriger die elektrische Leitfähigkeit der Elektrolytmembran. Die elektrische Leitfähigkeit ist als Kehrwert des elektrischen Widerstands definiert.At the anode 2.1 the fuel is oxidized, the thereby released electrons via an electrical load to the cathode 2.2 be dissipated. The protons of the fuel become the cathode via the electrolyte membrane 2.2 transferred. There the protons recombine with that of the cathode 2.2 supplied oxidizing agent 4 , z. As oxygen, and via the electrical load to the cathode 2.2 migrated electrons to water. Thus, the electrolyte membrane provides a closed circuit in the fuel cell 2 for sure. Usually, the electrolyte membrane is formed of organic polymers, so that an electrical conductivity of the electrolyte membrane is dependent on its water content or moisture content. The lower the moisture content of the electrolyte membrane, the higher the electrical resistance R and the lower the electrical conductivity of the electrolyte membrane. The electrical conductivity is defined as the reciprocal of the electrical resistance.

Um einen geringen elektrischen Widerstand R und damit vergleichsweise hohe elektrische Spannungen U der Brennstoffzelle 2 bei hohen elektrischen Strömen I zu erhalten, ist ein entsprechender Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran notwendig.To a low electrical resistance R and thus comparatively high voltages U of the fuel cell 2 At high electric currents I, a corresponding moisture content in the electrolyte membrane is necessary.

Der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran kann durch eine Wahl günstiger Betriebsbedingungen, welcher insbesondere eine Temperatur und ein Druck der Brennstoffzelle 2, Massenflüsse, Druckverluste in dem Brennstoffzellenmodul und/oder Temperaturdifferenzen zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Brennstoffzellenmoduls umfassen, auf einem zumindest annähernd konstanten Niveau gehalten werden.The moisture content of the electrolyte membrane can by a choice of favorable operating conditions, which in particular a temperature and pressure of the fuel cell 2 , Mass flows, pressure losses in the fuel cell module, and / or temperature differences between an input and an output of the fuel cell module, are maintained at an at least approximately constant level.

Wird anhand der zeitlichen Änderung des elektrischen Widerstands R ein zu geringer Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran ermittelt, ist es möglich entsprechende Maßnahmen einzuleiten, die den Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 2 erhöhen oder verringern. Dazu gehört z. B. eine zusätzliche Befeuchtung von in die Brennstoffzelle 2 eingeleiteten Reaktionsstoffen 3, 4, beispielsweise durch eine Rezirkulation eines feuchten Anodenabgases oder durch Anordnung eines zusätzlichen Gasbefeuchters 5, 9 auf der Kathodenseite. Weiterhin kann durch eine gezielte Veränderung von Betriebsparametern der Brennstoffzelle 2, z. B. eine Temperatur, eine Befeuchtung, eine Stöchiometrie oder ein Druck in der Brennstoffzelle 2 ein Feuchtigkeitsgehalt der Membran variiert werden.If an excessively low moisture content of the electrolyte membrane is determined on the basis of the change over time of the electrical resistance R, it is possible to initiate appropriate measures which determine the moisture content of the electrolyte membrane of the fuel cell 2 increase or decrease. This includes z. B. additional humidification in the fuel cell 2 initiated reactants 3 . 4 For example, by a recirculation of a wet anode exhaust gas or by placing an additional gas humidifier 5 . 9 on the cathode side. Furthermore, by a targeted change of operating parameters of the fuel cell 2 , z. As a temperature, humidification, stoichiometry or pressure in the fuel cell 2 a moisture content of the membrane can be varied.

Die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts der Elektrolytmembran ist wie bereits beschrieben, anhand der zeitlichen Spannungsänderung ΔU ermittelbar. Die in dem Koordinatensystem 1 dargestellte Stromänderung ΔI kann dabei alternativ auch durch einen Stromimpuls, z. B in Form eines Delta-Impulses oder Rechteck-Impulses, gekennzeichnet sein. Auch ist es möglich, eine zeitliche Spannungsänderung ΔU nach einem Abstellen der Stromableitung aus der Brennstoffzelle 2 zu erfassen.As already described, the determination of the moisture content of the electrolyte membrane can be determined on the basis of the temporal voltage change .DELTA.U. The in the coordinate system 1 shown current change .DELTA.I can alternatively be replaced by a current pulse, z. B in the form of a delta pulse or rectangular pulse. It is also possible, a temporal voltage change .DELTA.U after stopping the flow of electricity from the fuel cell 2 capture.

Die elektrische Spannung U der Brennstoffzelle 2 wird dabei durch verschiedene Größen, wie z. B. der elektrische Widerstand R, eine Durchtrittsüberspannung und/oder ein Diffusionswiderstand, beeinflusst, die unterschiedliche Zeitkonstanten aufweisen, so dass entsprechende Änderungen im zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung U in unterschiedlichen Zeiträumen nach dem ersten Zeitpunkt t0 erfassbar sind.The electrical voltage U of the fuel cell 2 is characterized by different sizes, such. B. the electrical resistance R, a passage overvoltage and / or a diffusion resistance, which have different time constants, so that corresponding changes in the time course of the electrical voltage U in different time periods after the first time t0 can be detected.

Der elektrische Widerstand R weist dabei die kleinste Zeitkonstante der genannten Größen auf, welche kleiner als 100 μs ist, so dass in weniger als 100 μs nach dem ersten Zeitpunkt t0 die Änderung des elektrischen Widerstands R anhand der zeitlichen Spannungsänderung ΔU erfassbar ist.In this case, the electrical resistance R has the smallest time constant of the stated variables, which is less than 100 μs, so that the change in the electrical resistance R can be detected in less than 100 μs after the first time t0 on the basis of the voltage change ΔU.

Zur Erfassung der zeitlichen Spannungsänderung ΔU ist die Brennstoffzelle 2 mit einer ersten Erfassungseinheit 6 zur Erfassung einer Stromänderung ΔI gekoppelt, welche insbesondere schnelle Stromänderungen ΔI mit einer Zeitdauer von kleiner als 10 μs erfasst und anschließend ein entsprechendes Signal an eine ebenfalls mit der Brennstoffzelle 2 über einen CAN-Bus gekoppelte zweite Erfassungseinheit 7 zur Erfassung einer Spannungsänderung ΔU ausgibt. The fuel cell is used to detect the voltage change ΔU 2 with a first detection unit 6 for detecting a current change .DELTA.I coupled, which detects in particular fast current changes .DELTA.I with a time duration of less than 10 microseconds and then a corresponding signal to an also with the fuel cell 2 coupled via a CAN bus second detection unit 7 for detecting a voltage change .DELTA.U outputs.

Wird also von der ersten Erfassungseinheit 6 eine entsprechend hohe und schnelle Stromänderung ΔI erfasst, erfolgt im Anschluss daran die Erfassung der Spannungsänderung ΔU. Die Höhe der Stromänderung ΔI kann dabei auf wenige Ampere begrenzt sein.So is from the first detection unit 6 detects a correspondingly high and fast current change ΔI, followed by the detection of the voltage change .DELTA.U. The amount of current change ΔI can be limited to a few amperes.

Da der CAN-Bus nur eine begrenzte Übertragungsgeschwindigkeit aufweist, wird diesem während der Erfassung der Spannungsänderung ΔU eine maximale Übertragungsgeschwindigkeit für einen sehr kurzen Zeitraum, z. B. 100 ms, zugeordnet. Dazu ist es notwendig, dass die Stromänderung ΔI eine Zeitdauer von 10 μs nicht unterschreitet, vorzugsweise beträgt die Zeitdauer der Stromänderung ΔI weniger als 10 μs. Die Stromänderung ΔI weist vorzugsweise keine Störimpulse auf, welche z. B. durch Prellverhalten bei Verwendung eines mechanischen Relais auftreten können. Deshalb ist es vorteilhaft, anstelle eines mechanischen Relais ein elektronisches Relais, z. B. einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, auch als MOS-FET bezeichnet, zu verwenden.Since the CAN bus has only a limited transmission speed, this is during the detection of the voltage change .DELTA.U a maximum transmission speed for a very short period, eg. B. 100 ms assigned. For this purpose, it is necessary that the current change ΔI does not fall short of a period of 10 μs, preferably the time duration of the current change ΔI is less than 10 μs. The current change .DELTA.I preferably has no glitches, which z. B. may occur due to bounce when using a mechanical relay. Therefore, it is advantageous, instead of a mechanical relay, an electronic relay, z. B. a metal oxide semiconductor field effect transistor, also referred to as MOS-FET to use.

Nach der Erfassung der Spannungsänderung ΔU kann dem CAN-Bus wieder eine langsamere Übertragungsgeschwindigkeit zugeordnet werden.After the voltage change .DELTA.U has been detected, a slower transmission speed can again be assigned to the CAN bus.

Das zuvor beschriebene Verfahren kann während eines Betriebs der Brennstoffzelle 2 erfolgen, wobei ein besonderer Messbetriebszustand nicht zwingend notwendig ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren auch beim Starten oder Herunterfahren der Brennstoffzelle 2 und/oder im Nichtbetrieb der Brennstoffzelle 2 erfolgen.The method described above may be during operation of the fuel cell 2 be carried out, with a special Messbetriebszustand is not mandatory. Alternatively or additionally, the method can also be used when starting or shutting down the fuel cell 2 and / or in non-operation of the fuel cell 2 respectively.

Weiterhin ist das Verfahren nicht auf den Betrieb einer einzelnen Brennstoffzelle 2 begrenzt, sondern eignet sich vielmehr zum Betrieb einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 2, welche zu einem oder mehreren Brennstoffzellenmodulen zusammen geführt sind. Dabei können den einzelnen Brennstoffzellen 2 jeweils separat eine erste Erfassungseinheit 6, eine zweite Erfassungseinheit 7 und/oder ein Gasbefeuchter 5, 9 zugeordnet sein oder ein Brennstoffzellenmodul ist jeweils mit einer ersten und einer zweiten Erfassungseinheit 6, 7 und/oder einem Gasbefeuchter 5, 9 gekoppelt.Furthermore, the method is not limited to the operation of a single fuel cell 2 rather, it is more suitable for operating a plurality of fuel cells 2 , which are combined to one or more fuel cell modules. It can the individual fuel cells 2 each separately a first detection unit 6 , a second detection unit 7 and / or a gas humidifier 5 . 9 be assigned or a fuel cell module is each with a first and a second detection unit 6 . 7 and / or a gas humidifier 5 . 9 coupled.

In 2 ist eine Vorrichtung 8 zum Betrieb der Brennstoffzelle 2 in Form eines vereinfachten Blockschaltbildes dargestellt. Die Brennstoffzelle 2 weist die Anode 2.1, die Kathode 2.2 und eine Temperiervorrichtung 2.3 zur Temperierung der Brennstoffzelle 2 auf, welche von einem Temperiermedium M, z. B. Wasser, durchströmt wird. Die Brennstoffzelle 2 kann wie bereits beschrieben auch als Brennstoffzellenmodul betrachtet werden.In 2 is a device 8th for operation of the fuel cell 2 shown in the form of a simplified block diagram. The fuel cell 2 indicates the anode 2.1 , the cathode 2.2 and a tempering device 2.3 for temperature control of the fuel cell 2 on which of a temperature control M, z. B. water, is flowed through. The fuel cell 2 can also be considered as a fuel cell module as already described.

Die Brennstoffzelle 2 ist weiterhin mit den bereits beschriebenen ersten und zweiten Erfassungseinrichtungen 6, 7 gekoppelt, die der Erfassung einer Stromänderung ΔI und einer Spannungsänderung ΔU dienen. Die Ermittlung der Änderung des elektrischen Widerstands R kann mittels einer nicht näher dargestellten Steuereinheit erfolgen.The fuel cell 2 is still with the already described first and second detection devices 6 . 7 coupled, the detection of a current change .DELTA.I and a voltage change .DELTA.U serve. The determination of the change in the electrical resistance R can be effected by means of a control unit, not shown.

Weiterhin ist der Brennstoffzelle 2 der Gasbefeuchter 5, 9 vorgeschaltet. Der Gasbefeuchter 5, 9 dient der zumindest teilweisen Befeuchtung des Oxidationsmittels 4, so dass dieses ausreichend Wasseranteile für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle 2 enthält.Furthermore, the fuel cell 2 the gas humidifier 5 . 9 upstream. The gas humidifier 5 . 9 serves for at least partial humidification of the oxidizing agent 4 so that this is enough water for optimal operation of the fuel cell 2 contains.

Dem Gasbefeuchter 5, 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Kühleinheit 10 vorgeschaltet, welche zur Kühlung des Oxidationsmittels 4 nach Förderung mittels eines Verdichters 11 dient. Der Verdichter 11 ist mit einem Expander 12 verbunden, mittels dessen die Abgase der Brennstoffzelle 2 zumindest teilweise entspannt werden. Zudem wird dem Verdichter 11 mittels des Expanders 12 zumindest teilweise eine Antriebsenergie zugeführt.The gas humidifier 5 . 9 is a cooling unit in the present embodiment 10 upstream, which for cooling the oxidizing agent 4 after conveyance by means of a compressor 11 serves. The compressor 11 is with an expander 12 Connected, by means of which the exhaust gases of the fuel cell 2 be at least partially relaxed. In addition, the compressor 11 by means of the expander 12 at least partially supplied a drive power.

Zu Entfeuchtung eines Kathodenabgases ist der bereits beschriebene Gasbefeuchter 5, 9 vorgesehen.For dehumidifying a cathode exhaust gas is already described gas humidifier 5 . 9 intended.

Der Anode 2.1 ist zur Zuführung des Brennstoffs 3 eine Rezirkulationseinrichtung 13, z. B. eine Gasstrahlpumpe zur Förderung eines wasserstoffreichen Fluids, vorgesehen.The anode 2.1 is to supply the fuel 3 a recirculation device 13 , z. B. a gas jet pump for conveying a hydrogen-rich fluid provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Koordinatensystemcoordinate system
22
Brennstoffzellefuel cell
2.12.1
Anodeanode
2.22.2
Kathodecathode
2.32.3
Temperiervorrichtungtempering
33
Reaktionsstoff, BrennstoffReactant, fuel
44
Reaktionsstoff, OxidationsmittelReactant, oxidizer
5,95.9
Gasbefeuchtergas humidifier
66
erste Erfassungseinheitfirst detection unit
77
zweite Erfassungseinheitsecond detection unit
88th
Vorrichtungcontraption
1010
Kühleinheitcooling unit
1111
Verdichtercompressor
1212
Expanderexpander
13 13
Rezirkulationseinrichtungrecirculation
tt
ZeitTime
t0t0
erster Zeitpunktfirst time
II
elektrischer Stromelectrical current
MM
Temperiermediumtempering
RR
elektrischer Widerstandelectrical resistance
SZKSCC
Strom-Zeit-KurveCurrent-time curve
SpZKSpZK
Spannungs-Zeit-KurveVoltage-time curve
UU
elektrische Spannungelectrical voltage
ΔI.DELTA.I
Stromänderungcurrent change
ΔU.DELTA.U
Spannungsänderungvoltage change

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10220172 B4 [0002] DE 10220172 B4 [0002]
  • DE 102010005400 A1 [0003] DE 102010005400 A1 [0003]

Claims (10)

Verfahren zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle (2), bei welchem ein elektrischer Widerstand (R) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem ersten Zeitpunkt (t0) eine sprunghafte Stromänderung (ΔI) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) durchgeführt und erfasst wird und eine von der Stromänderung (ΔI) abhängige zeitliche Spannungsänderung (ΔU) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t0) und einem zweiten Zeitpunkt erfasst wird, wobei der elektrische Widerstand (R) anhand der Spannungsänderung (ΔU) ermittelt wird.Method for monitoring an operating state of at least one fuel cell ( 2 ), in which an electrical resistance (R) of the at least one fuel cell ( 2 ) is determined, characterized in that at a first time (t0) a sudden change in current (.DELTA.I) of the at least one fuel cell ( 2 ) is carried out and detected, and a time change of voltage (ΔU) of the at least one fuel cell (ΔU) which depends on the change in current ( 2 ) is detected between the first time (t0) and a second time, wherein the electrical resistance (R) is determined based on the voltage change (ΔU). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des elektrischen Widerstands (R) eine elektrische Leitfähigkeit einer in der mindestens einen Brennstoffzelle (2) angeordneten Membran ermittelt wird.A method according to claim 1, characterized in that based on the electrical resistance (R) is an electrical conductivity of a in the at least one fuel cell ( 2 ) arranged membrane is determined. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für eine sprunghafte Stromänderung (ΔI) die mindestens eine Brennstoffzelle (2) mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher gekoppelt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that for a sudden change in current (.DELTA.I), the at least one fuel cell ( 2 ) is coupled to at least one electrical load. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromänderung (ΔI) in einer Zeitspanne von weniger als 10 μs erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the current change (ΔI) takes place in a time span of less than 10 μs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsänderung (ΔU) in weniger als 100 μs nach der erfolgten Stromänderung (ΔI) erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage change (ΔU) is detected in less than 100 μs after the current change (ΔI) has taken place. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ermittelten elektrischen Leitfähigkeit eine Feuchtigkeit der Membran ermittelt wird.Method according to one of claims 2 to 5, characterized in that based on the determined electrical conductivity, a moisture of the membrane is determined. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der ermittelten Feuchtigkeit diese geregelt und/oder gesteuert wird.A method according to claim 6, characterized in that regulated and / or controlled in dependence of the determined moisture. Vorrichtung (8) zur Überwachung eines Betriebszustands mindestens einer Brennstoffzelle (2), mittels welcher ein elektrischer Widerstand (R) der mindestens einen Brennstoffzelle (2) ermittelbar ist, gekennzeichnet durch zumindest eine erste Erfassungseinheit (6) und zumindest eine zweite Erfassungseinheit (7), welche miteinander und jeweils mit der mindestens einen Brennstoffzelle (2) gekoppelt sind, wobei mittels der zumindest einen ersten Erfassungseinheit (6) eine zu einem ersten Zeitpunkt (t0) durchgeführte Stromänderung (ΔI) und mittels der zumindest einen zweiten Erfassungseinheit (7) eine in Abhängigkeit der Stromänderung (ΔI) resultierende Spannungsänderung (ΔU) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t0) und einem zweiten Zeitpunkt erfassbar ist und wobei mittels einer Steuereinheit der elektrische Widerstand (R) anhand der Spannungsänderung (ΔU) ermittelbar ist.Contraption ( 8th ) for monitoring an operating state of at least one fuel cell ( 2 ), by means of which an electrical resistance (R) of the at least one fuel cell ( 2 ) can be determined, characterized by at least one first detection unit ( 6 ) and at least one second detection unit ( 7 ), which together and in each case with the at least one fuel cell ( 2 ), wherein by means of the at least one first detection unit ( 6 ) a current change (ΔI) carried out at a first time (t0) and by means of the at least one second detection unit ( 7 ) is detected as a function of the current change (.DELTA.I) resulting voltage change (.DELTA.U) between the first time (t0) and a second time and wherein by means of a control unit, the electrical resistance (R) based on the voltage change (.DELTA.U) can be determined. Vorrichtung (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Erfassungseinheit (6) und/oder die zumindest eine zweite Erfassungseinheit (7) miteinander und/oder mit der zumindest einen Brennstoffzelle (2) über einen CAN-Bus gekoppelt sind.Contraption ( 8th ) according to claim 8, characterized in that the at least one first detection unit ( 6 ) and / or the at least one second detection unit ( 7 ) with each other and / or with the at least one fuel cell ( 2 ) are coupled via a CAN bus. Vorrichtung (8) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kopplung der mindestens einen Brennstoffzelle (2) mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher ein elektronischer Schalter vorgesehen ist.Contraption ( 8th ) according to claim 8 or 9, characterized in that for coupling the at least one fuel cell ( 2 ) is provided with at least one electrical load an electronic switch.
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