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
Aus der
Weiterhin ist aus der
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
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:
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
In dem Koordinatensystem
In einem oberen Bereich des Koordinatensystems
Anhand des Verlaufs der Spannungs-Zeit-Kurve SpZK ist mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes eine zeitliche Änderung eines elektrischen Widerstands R der Brennstoffzelle
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dabei insbesondere auf eine Protonenaustauschermembran-Brennstoffzelle kurz: PEM-Brennstoffzelle, eingegangen, welche im Verbund mit weiteren Brennstoffzellen
Die Brennstoffzelle
Die Membran-Elektroden-Einheit ist zwischen zwei ebenfalls nicht näher dargestellten Bipolarplatten angeordnet, die einem Verteilen von Reaktionsstoffen
Als Reaktionsstoffe
An der Anode
Um einen geringen elektrischen Widerstand R und damit vergleichsweise hohe elektrische Spannungen U der Brennstoffzelle
Der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran kann durch eine Wahl günstiger Betriebsbedingungen, welcher insbesondere eine Temperatur und ein Druck der Brennstoffzelle
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
Die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts der Elektrolytmembran ist wie bereits beschrieben, anhand der zeitlichen Spannungsänderung ΔU ermittelbar. Die in dem Koordinatensystem
Die elektrische Spannung U der Brennstoffzelle
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
Wird also von der ersten Erfassungseinheit
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
Weiterhin ist das Verfahren nicht auf den Betrieb einer einzelnen Brennstoffzelle
In
Die Brennstoffzelle
Weiterhin ist der Brennstoffzelle
Dem Gasbefeuchter
Zu Entfeuchtung eines Kathodenabgases ist der bereits beschriebene Gasbefeuchter
Der Anode
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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- DE 102010005400 A1 [0003] DE 102010005400 A1 [0003]
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DE102013021472.6A DE102013021472A1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Method and device for monitoring an operating state of at least one fuel cell |
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DE102013021472.6A DE102013021472A1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Method and device for monitoring an operating state of at least one fuel cell |
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DE102013021472.6A Withdrawn DE102013021472A1 (en) | 2013-12-18 | 2013-12-18 | Method and device for monitoring an operating state of at least one fuel cell |
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- 2013-12-18 DE DE102013021472.6A patent/DE102013021472A1/en not_active Withdrawn
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