DE102014018197A1 - Impedanzbestimmungsvorrichtung zur Verwendung mit einem Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenanordnung mit einer derartigen lmpedanzbestimmungsvorrichtung sowie Verfahren zum Ermitteln einer lmpedanz einer Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Impedanz einer Brennstoffzellenanordnung (20), die einen ersten Brennstoffzellenstapel (12) und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (22) sowie eine Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) mit einem elektronischen Signalgenerator (30) umfasst, wobei der erste Brennstoffzellenstapel (12) an einem ersten Anschlusspaar (31, 33) des Signalgenerators (30) und der zweite Brennstoffzellenstapel (22) an einem zweiten Anschlusspaar (32, 33) des Signalgenerators (30) angeschlossen ist. Das Verfahren beinhaltet die Schritte Ermitteln von elektrischen Spannungen an den beiden Brennstoffzellenstapeln (12, 22) und Bereitstellen zugehöriger Spannungs-Messwerte (U1, U2), Ermitteln zumindest eines elektrischen Stroms durch einen der beiden Brennstoffzellenstapel (12, 22) und Bereitstellen zumindest eines zugehörigen Strom-Messwerts (I1), und Ermitteln eines Impedanzwerts des ersten Brennstoffzellenstapels (12) und/oder des zweiten Brennstoffzellenstapels (22) in Abhängigkeit der Spannungs-Messwerte (U1, U2) und des zumindest einen Strom-Messwerts (I1), sowie abwechselndes Ausgeben eines Signals an den ersten Brennstoffzellenstapel (12) und den zweiten Brennstoffzellenstapel (22) zur Ermittlung des jeweiligen Impedanzwerts. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Impedanzbestimmungsvorrichtung (10), eine entsprechende Brennstoffzellenanordnung (20), sowie ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Brennstoffzellenanordnung (20).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Impedanzbestimmungsvorrichtung zur Verwendung mit einem Brennstoffzellenstapel, umfassend einen elektronischen Signalgenerator mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss, Spannungs-Messmittel zur Ermittlung von elektrischen Spannungen zwischen den drei Anschlüssen des Signalgenerators und Bereitstellung zugehöriger Spannungs-Messwerte, Strom-Messmittel zur Ermittlung zumindest eines elektrischen Stroms durch einen der drei Anschlüsse des Signalgenerators und Bereitstellung zumindest eines zugehörigen Strom-Messwerts. Dabei ist die Impedanzbestimmungsvorrichtung dazu ausgelegt, in Abhängigkeit der Spannungs-Messwerte und des zumindest einen Strom-Messwerts einen Impedanzwert eines zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss anschließbaren ersten Brennstoffzellenstapels und/oder eines zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss anschließbaren zweiten Brennstoffzellenstapels zu ermitteln. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung mit einer derartigen Impedanzbestimmungsvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenanordnung. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln einer Impedanz einer Brennstoffzellenanordnung, die einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen zweiten Brennstoffzellenstapel sowie eine Impedanzbestimmungsvorrichtung mit einem elektronischen Signalgenerator umfasst, wobei der erste Brennstoffzellenstapel an einem ersten Anschlusspaar des Signalgenerators und der zweite Brennstoffzellenstapel an einem zweiten Anschlusspaar des Signalgenerators angeschlossen ist. Das Verfahren beinhaltet die Schritte Ermitteln von elektrischen Spannungen an den beiden Brennstoffzellenstapeln und Bereitstellen zugehöriger Spannungs-Messwerte, Ermitteln zumindest eines elektrischen Stroms durch einen der beiden Brennstoffzellenstapel und Bereitstellen zumindest eines zugehörigen Strom-Messwerts, und Ermitteln eines Impedanzwerts des ersten Brennstoffzellenstapels und/oder des zweiten Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit der Spannungs-Messwerte und des zumindest einen Strom-Messwerts.
• Brennstoffzellen stellen zusammen mit einem entsprechenden Wasserstoffvorrat eine alternative Energiequelle zu elektrisch wiederaufladbaren Batteriesystemen in automobilen Anwendungen dar. Im Gegensatz zu einer elektrisch wiederaufladbaren Zelle wird hierbei die Energie nicht in Form chemischer Energie direkt in der Zelle gespeichert, sondern aus einem externen Speicher (Wasserstoff) beziehungsweise der Umgebung (Luft/Sauerstoff) bedarfsabhängig zugeführt. Die derzeit allgemein favorisierte Lösung für den automobilen Einsatz ist hierbei die sogenannte PEM(Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelle. Die Feuchte der Brennstoffzellenmembrane beeinflusst den Innenwiderstand beziehungsweise die Impedanz einer Brennstoffzelle und somit auch den Innenwiderstand beziehungsweise die Impedanz eines gesamten Brennstoffzellenstapels (Stack). Umgekehrt kann aus dem Impedanzwert oder einer Impedanzänderung auf die Befeuchtung geschlossen und so die Feuchte mittels einer Befeuchtungsvorrichtung korrigiert werden.
• Aus der KR 2014 0080288 ist ein Verfahren ist ein Verfahren zum Erfassen einer Zellenspannung und Impedanz des Brennstoffzellenstapels sowie eine zugehörige Diagnosevorrichtung bekannt.
• Eine kontinuierliche Impedanzmessung während des regulären Betriebs eines Brennstoffzellenstapels würde also einen geschlossenen Befeuchtungsregelkreis ermöglichen.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Impedanzmessvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, welche für den automobilen Einsatz geeignet ist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Impedanzbestimmungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung geht aus von einer gattungsgemäßen Impedanzbestimmungsvorrichtung, welche derart weitergebildet wird, dass der Signalgenerator dazu ausgelegt ist, abwechselnd über ein aus dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss gebildetes erstes Anschlusspaar und über ein aus dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss gebildetes zweites Anschlusspaar zur Ermittlung des jeweiligen Impedanzwerts ein Signal auszugeben. Entsprechend wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln einer Impedanz einer Brennstoffzellenanordnung weitergebildet durch abwechselndes Ausgeben eines Signals an den ersten Brennstoffzellenstapel und den zweiten Brennstoffzellenstapel zur Ermittlung des jeweiligen Impedanzwerts.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Aufteilung eines Brennstoffzellenstapels in einen ersten Brennstoffzellenstapel und einen zweiten Brennstoffzellenstapel ein besonders leistungsstarker, hocheffizienter Signalgenerator zur Impedanzmessung eingesetzt werden kann, welcher nur aus wenigen Komponenten besteht. Mehrere Frequenzen können gleichzeitig einem der beiden Brennstoffzellenstapel aufgeprägt und gemessen werden, was zu schnelleren Messergebnissen führt. Ergänzend kann weiterhin noch ein Rauschen von vorhandenen elektrischen Komponenten, zum Beispiel Umrichtern ausgewertet werden.
• Durch Aufprägen eines Gleichstromanteils auf das Signal können Standardzellen zu Messzellen werden, da diese dann mit einer niedrigeren Stöchiometrie betrieben werden. Weiterhin können speziell präparierte Messzellen integriert werden, die besonders sensitiv auf Unterversorgung mit mindestens einem Reaktanten oder auf Änderungen der Befeuchtung reagieren.
• In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Impedanzbestimmungsvorrichtung dazu ausgelegt, ein Impedanzspektrum bei mehreren Frequenzen zu bestimmen, welche gleichzeitig in dem Signal enthalten sind. Dabei können niedrigere Frequenzen zur Bestimmung der Stöchiometrie, also einer Beurteilung des Verhältnisses der beiden Reaktanten zueinander, beziehungsweise einer Unterversorgung mit mindestens einem Reaktanten dienen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Verbesserung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems, da nur so viel Luft beziehungsweise Wasserstoff geliefert wird, wie die Brennstoffzelle aktuell benötigt. Höhere Frequenzen können zur Bestimmung/Regelung der Membranfeuchte dienen. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit der Verlängerung der Brennstoffzellenstapellebensdauer durch Vermeidung von schädigenden Zuständen. Die gleichzeitige Messung von mehreren Frequenzen kann somit dienen: a) zur gegenseitigen Plausibilisierung der Impedanz-Messungen, b) zur gleichzeitigen Erkennung von Stöchiometrie und Unterversorgung, und c) zur Messung auch im dynamischen Einsatz des Brennstoffzellensystems, wenn sich durch die Fahrweise der Lastpunkt schneller ändert, als es für eine sequenzielle Messung des Frequenzspektrums geeignet wäre.
• Die vorgestellte Erfindung kann mehrere Frequenzen gleichzeitig aufprägen, was eine wesentlich schnellere Erfassung des Impedanzspektrums ermöglicht. Mithilfe eines Impedanzspektrums sind auch Rückschlüsse auf die Brennstoffzellenstapelversorgung/Stöchiometrie möglich (sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite). Des Weiteren können Teile des Brennstoffzellenstapels stärker belastet werden und somit mit niedriger Stöchiometrie betrieben werden. Standardzellen werden so zu Sensorzellen für die Stöchiometrie.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Signalgenerator der Impedanzbestimmungsvorrichtung ein erstes elektronisches Schaltelement mit einer ersten Bezugselektrode und einer ersten Arbeitselektrode, ein zweites elektronisches Schaltelement mit einer zweiten Bezugselektrode und einer zweiten Arbeitselektrode, und einen ersten elektrischen Energiespeicher auf. Dabei ist die erste Arbeitselektrode mit dem ersten Anschluss elektrisch gekoppelt und die zweite Bezugselektrode mit dem zweiten Anschluss elektrisch gekoppelt sowie die erste Bezugselektrode mit der zweiten Arbeitselektrode an einem Halbbrückenmittelpunkt elektrisch gekoppelt, wobei der Halbbrückenmittelpunkt mittels des ersten elektrischen Energiespeichers mit dem dritten Anschluss elektrisch gekoppelt ist.
• Bevorzugt kann hierbei der erste elektrische Energiespeicher als Induktivität ausgebildet sein.
• Insbesondere kann parallel zu dem ersten elektronischen Schaltelement eine erste Diode angeordnet sein und parallel zu dem zweiten elektronischen Schaltelement eine zweite Diode angeordnet sein.
• Weiterhin kann der Signalgenerator einen zweiten elektrischen Energiespeicher aufweisen, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss mittels des zweiten elektrischen Energiespeichers elektrisch gekoppelt sind. Aus einer erfindungsgemäßen Impedanzbestimmungsvorrichtung wird mit einem an dem ersten Anschlusspaar angeschlossenen ersten Brennstoffzellenstapel, welcher eine erste Anzahl von Brennstoffzellen aufweist, und einem an dem zweiten Anschlusspaar angeschlossenen zweiten Brennstoffzellenstapel, welcher eine zweite Anzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei vorzugsweise die erste Anzahl kleiner ist als die zweite Anzahl, insbesondere deutlich kleiner, eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung.
• Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug eine derartige Brennstoffzellenanordnung aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Bereitstellen des Signals mit mehreren Frequenzen und ein Bestimmen eines Impedanzspektrums bei mehreren Frequenzen.
• Die für die erfindungsgemäße Impedanzbestimmungsvorrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Dabei zeigt die einzige Fig. eine vereinfachte schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Impedanzbestimmungsvorrichtung.
• Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Impedanzbestimmungsvorrichtung 10 ist Teil einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 20, welche einen ersten Brennstoffzellenstapel 12 mit einer ersten Anzahl von Brennstoffzellen in elektrischer Serienschaltung, welche einen ersten Pluspol 14 an einem positiven Ende des ersten Brennstoffzellenstapels 12 und einen ersten Minuspol 16 an einem negativen Ende des ersten Brennstoffzellenstapels 12 sowie einen zweiten Brennstoffzellenstapel 22 mit einer zweiten Anzahl von Brennstoffzellen in elektrischer Serienschaltung, welcher einen zweiten Pluspol 24 an einem positiven Ende des zweiten Brennstoffzellenstapels 22 und einen zweiten Minuspol 26 an einem negativen Ende des zweiten Brennstoffzellenstapels aufweist. Der erste Brennstoffzellenstapel 12 ist mit dem zweiten Brennstoffzellenstapel 22 derart in Serie verschaltet, dass der erste Minuspol 16 mit dem zweiten Pluspol 24 elektrisch gekoppelt ist. Der erste Brennstoffzellenstapel 12 und der zweite Brennstoffzellenstapel 22 können auch Brennstoffzellenteilstapel eines einzigen als gekapselte Baugruppe vorliegenden Brennstoffzellenstapels sein, wobei in diesem Fall der erste Minuspol 16 und der zweite Pluspol 24 als gemeinsamer Verbindungspunkt in Form eines Anzapfungs-Anschlusses bereitgestellt sein können. Für die Positionierung eines derartigen Anzapfungs-Anschlusses kann vorgesehen sein, dass die erste Anzahl von Brennstoffzellen genau gleich der zweiten Anzahl von Brennstoffzellen ist. Bevorzugt wird von der Erfindung jedoch eine Konfiguration vorgeschlagen, bei der die erste Anzahl von Brennstoffzellen kleiner, insbesondere deutlich kleiner ist als die zweite Anzahl von Brennstoffzellen.
• Die beiden Brennstoffzellenstapel 12 und 22 sind elektrisch mit einem elektronischen Signalgenerator 30 gekoppelt, welcher Teil der Impedanzbestimmungsvorrichtung 10 ist. Ein erster Anschluss 31 des elektronischen Signalgenerators 30 ist mit dem ersten Pluspol 14 elektrisch gekoppelt und ein zweiter Anschluss 32 des elektronischen Signalgenerators 30 ist mit dem zweiten Minuspol 26 elektrisch gekoppelt, weiterhin ist ein dritter Anschluss 33 des elektronischen Signalgenerators 30 elektrisch gekoppelt mit dem ersten Minuspol 16 beziehungsweise dem zweiten Pluspol 24.
• Der elektronische Signalgenerator 30 weist ein erstes elektronisches Schaltelement T₁ mit einer ersten Bezugselektrode 34 und einer ersten Arbeitselektrode 35 sowie ein zweites elektronisches Schaltelement T₂ mit einer zweiten Bezugselektrode 36 und einer zweiten Arbeitselektrode 37 auf, wobei das erste elektronische Schaltelement T₁ und das zweite elektronische Schaltelement T₂ in einer Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind. Dabei ist die erste Arbeitselektrode 35 mit dem ersten Anschluss 31 des Energiewandlers 30 elektrisch gekoppelt, die zweite Bezugselektrode 36 mit dem zweiten Anschluss 32 des Energiewandlers 30 elektrisch gekoppelt und die erste Bezugselektrode 34 mit der zweiten Arbeitselektrode 37 an einem Halbbrückenmittelpunkt HBM elektrisch gekoppelt. Weiterhin umfasst der elektronische Signalgenerator 30 einen ersten elektrischen Energiespeicher L₁ bevorzugt in Form einer Induktivität. Der Halbbrückenmittelpunkt HBM ist mittels des ersten elektrischen Energiespeichers L₁ mit dem dritten Anschluss 33 des Energiewandlers 30 elektrisch gekoppelt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine elektrische Kopplung des Halbbrückenmittelpunkts HBM mit dem dritten Anschluss 33 über einen Kondensator erfolgt.
• Parallel zu dem ersten elektronischen Schaltelement T₁ ist eine erste Diode D₁ angeordnet und parallel zu dem zweiten elektronischen Schaltelement T₂ ist eine zweite Diode D₂ angeordnet. Die Kathode der ersten Diode D₁ ist mit dem ersten Anschluss 31 elektrisch gekoppelt, die Anode der ersten Diode D₁ sowie die Kathode der zweiten Diode D₂ sind jeweils mit dem Halbbrückenmittelpunkt HBM elektrisch gekoppelt. Die Anode der zweiten Diode D₂ ist elektrisch gekoppelt mit dem zweiten Anschluss 32 des elektronischen Signalgenerators 30. Die erste Diode D₁ kann dabei in das erste elektronische Schaltelement T₁ integriert sein, ebenso kann die zweite Diode D₂ in das zweite elektronische Schaltelement T₂ integriert sein. Bevorzugt handelt es sich bei den beiden elektronischen Schaltelementen T₁ und T₂ um Transistoren, insbesondere NPN-Bipolartransistoren, IGBT oder auch MOSFET. Im Falle eines Bipolartransistors oder eines IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) wird die Bezugselektrode auch als Emitter und die Arbeitselektrode als Kollektor bezeichnet. Im Falle eines MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) wird die Bezugselektrode auch als Source und die Arbeitselektrode als Drain bezeichnet.
• Bei Verwendung eines MOSFET ist beispielsweise die zum dem ersten elektronischen Schaltelement T₁ antiparallel angeordnete erste Diode D₁ bereits als Substratdiode in dem MOSFET-Bauelement integriert.
• Vorteilhaft kann der getaktete Energiewandler 30 einen zweiten elektrischen Energiespeicher C₁ aufweisen, wobei der erste Anschluss 31 des Energiewandlers 30 mit dem zweiten Anschluss 32 des Energiewandlers 30 mittels des zweiten elektrischen Energiespeichers C₁ elektrisch gekoppelt ist.
• Die Impedanzbestimmungsvorrichtung 10 umfasst des Weiteren ein erstes Spannungs-Messmittel 42 zur Bereitstellung eines ersten Spannungs-Messwerts U₁ sowie ein zweites Spannungs-Messmittel 44 zur Bereitstellung eines zweiten Spannungs-Messwertes U₂. Weiterhin umfasst die Impedanzbestimmungsvorrichtung 10 ein Strom-Messmittel 46 zur Bereitstellung eines Strom-Messwertes I₁. Das erste Spannungs-Messmittel 42 ist zwischen den ersten Anschluss 31 und den dritten Anschluss 33 beziehungsweise zwischen den ersten Pluspol 14 und den ersten Minuspol 16 elektrisch gekoppelt, das zweite Spannungs-Messmittel 44 ist zwischen den dritten Anschluss 33 und den zweiten Anschluss 32 beziehungsweise zwischen den Pluspol 24 und den zweiten Minuspol 26 elektrisch gekoppelt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Strom-Messmittel 46 zwischen den ersten Pluspol 14 und den ersten Anschluss 31 elektrisch gekoppelt. Somit dient das erste Spannungs-Messmittel 42 zur Bereitstellung der Spannung U₁, welche eine Spannung über dem ersten Brennstoffzellenstapel 12 repräsentiert, das zweite Spannungs-Messmittel 44 dient der Bereitstellung des zweiten Spannungs-Messwerts U₂, welcher eine Spannung über dem zweiten Brennstoffzellenstapel 22 repräsentiert. Das Strom-Messmittel 46 dient der Bereitstellung des Strom-Messwerts I₁, welcher einen durch den ersten Brennstoffzellenstapel 12 fließenden elektrischen Strom repräsentiert.
• In einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann außerdem ein DC/AC-Wandler 50 vorhanden sein, welcher über eine dreiphasige elektrische Verbindung 55 mit einem Motor beziehungsweise Generator 60 elektrisch gekoppelt ist.
• Hierbei können von dem DC/AC-Wandler 50 generierte Oberwellen an einem mit dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 32 gekoppelten DC-Eingang des DC/AC-Wandlers 50 vorteilhaft als Anregung zur Impedanzanalyse durch die Impedanzbestimmungsvorrichtung 10 benutzt werden.
• Die Bauelemente L₁, T₁, T₂, D₁ und D₂ und bilden einen DC/DC-Wandler, welcher als Signalgenerator dient, um die Impedanz an dem ersten Brennstoffzellenstapel 12 beziehungsweise an dem zweiten Brennstoffzellenstapel 22 zu messen. Der Signalgenerator benötigt somit keine separate Energieversorgung zur Messung der Brennstoffzellenimpedanz. Die elektronischen Schaltelemente T₁ und T₂ können als Transistoren vorliegen, welche als elektronische Schalter betrieben werden, was zu einem hohen Wirkungsgrad des Signalgenerators führt.
• Der Brennstoffzellenstapel (Fuel Cell Stack) ist geteilt in zwei Teile, den ersten Brennstoffzellenstapel 12 und den zweiten Brennstoffzellenstapel 22. Der erste Brennstoffzellenstapel 12 hat deutlich weniger Zellen als der zweite Brennstoffzellenstapel 22. Durch geeignete getaktete Ansteuerung von T₁ fließt durch den Brennstoffzellenstapel 12 ein größerer Strom als durch den zweiten Brennstoffzellenstapel 22. Dadurch verringert sich die Stöchiometrie an dem ersten Brennstoffzellenstapel 12 gegenüber dem zweiten Brennstoffzellenstapel 22. Der erste Brennstoffzellenstapel 12 kommt also früher in eine Unterversorgung, was mittels der Spannungsmessung U₁ detektiert werden kann. Dabei kann sowohl eine Unterversorgung mit Sauerstoff aus der Luft erkannt werden als auch eine Unterversorgung auf der Anode des Wasserstoff/Inertgasgemischs. Obwohl die Brennstoffzellen in dem ersten Brennstoffzellenstapel 12 gleich aufgebaut sind wie die Brennstoffzellen in dem zweiten Brennstoffzellenstapel 22, werden die Zellen in dem ersten Brennstoffzellenstapel 12 durch den höheren Strom zu Messzellen.
• Durch eine geeignete Ansteuerung von T₁ und T₂ können mehrere Frequenzen gleichzeitig aufgeprägt werden, was eine gleichzeitige Messung der Brennstoffzellenimpedanz bei mehreren Frequenzen ermöglicht. Das Impedanzspektrum des Brennstoffzellenstapels kann so wesentlich schneller aufgenommen werden als wenn die Frequenzen nacheinander angelegt werden.
• Auch der DC/AC-Wandler 50 erzeugt durch seine integrierten Transistoren/elektronischen Schaltelemente bei der Umrichtung von Gleich- auf Wechselstrom eine Stromwelligkeit. Diese kann zur Auswertung der Impedanz herangezogen werden.
• Die Impedanzanalyse kann auch zur Bestimmung eines „State of Health” (SOH) herangezogen werden und für die Planung von Service-Intervallen verwendet werden.
• Das Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. So können natürlich Anordnungen des Signalgenerators 30 innerhalb der Brennstoffzellenanordnung 20 variieren, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
• Somit wurde abschließend gezeigt, wie eine Low-Cost-Signalquelle für eine schnelle Impedanzspektroskopie zur Zustandserkennung und Regelung von Brennstoffzellenstacks oder Teilen von Brennstoffzellenstacks in Kraftfahrzeugen gestaltet sein kann.
• Bezugszeichenliste

10

Impedanzbestimmungsvorrichtung

12

erster Brennstoffzellenstapel

14

erster Pluspol

16

erster Minuspol

20

Brennstoffzellenanordnung

22

zweiter Brennstoffzellenstapel

24

zweiter Pluspol

26

zweiter Minuspol

30

elektronischer Signalgenerator

31

erster Anschluss

32

zweiter Anschluss

33

dritter Anschluss

34

erste Bezugselektrode

35

erste Arbeitselektrode

36

zweite Bezugselektrode

37

zweite Arbeitselektrode

42

erstes Spannungs-Messmittel

44

zweites Spannungs-Messmittel

46

Strom-Messmittel

C₁

zweiter elektrischer Energiespeicher

D₁

erste Diode

D₂

zweite Diode

HBM

Halbbrückenmittelpunkt

I₁

Strom-Messwert

L₁

erster elektrischer Energiespeicher

T₁

erstes elektronisches Schaltelement

T₂

zweites elektronisches Schaltelement

U₁

erster Spannungs-Messwert

U₂

zweiter Spannungs-Messwert

50

DC/AC-Wandler

55

elektrische Verbindung, dreiphasig

60

Motor/Generator

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• KR 20140080288 [0003]

Claims (10)

1. Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) zur Verwendung mit einem Brennstoffzellenstapel, umfassend: – einen elektronischen Signalgenerator (30) mit einem ersten Anschluss (31), einem zweiten Anschluss (32) und einem dritten Anschluss (33), – Spannungs-Messmittel (42, 44) zur Ermittlung von elektrischen Spannungen zwischen den drei Anschlüssen (31, 32, 33) des Signalgenerators (30) und Bereitstellung zugehöriger Spannungs-Messwerte (U₁, U₂), – Strom-Messmittel (46) zur Ermittlung zumindest eines elektrischen Stroms durch einen der drei Anschlüsse (31, 32, 33) des Signalgenerators (30) und Bereitstellung zumindest eines zugehörigen Strom-Messwerts (I₁), wobei die Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit der Spannungs-Messwerte (U₁, U₂) und des zumindest einen Strom-Messwerts (I₁) einen Impedanzwert eines zwischen dem ersten Anschluss (31) und dem zweiten Anschluss (32) anschließbaren ersten Brennstoffzellenstapels (12) und/oder eines zwischen dem zweiten Anschluss (32) und dem dritten Anschluss (33) anschließbaren zweiten Brennstoffzellenstapels (22) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (30) dazu ausgelegt ist, abwechselnd über ein aus dem ersten Anschluss (31) und dem dritten Anschluss (33) gebildetes erstes Anschlusspaar (31, 33) und über ein aus dem zweiten Anschluss (32) und dem dritten Anschluss (33) gebildetes zweites Anschlusspaar (32, 33) zur Ermittlung des jeweiligen Impedanzwerts ein Signal auszugeben.
2. Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, ein Impedanzspektrum bei mehreren Frequenzen zu bestimmen, welche gleichzeitig in dem Signal enthalten sind.
3. Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (30) aufweist: – ein erstes elektronisches Schaltelement (T₁) mit einer ersten Bezugselektrode (34) und einer ersten Arbeitselektrode (35), – ein zweites elektronisches Schaltelement (T₂) mit einer zweiten Bezugselektrode (36) und einer zweiten Arbeitselektrode (37), – einen ersten elektrischen Energiespeicher (L₁), wobei die erste Arbeitselektrode (35) mit dem ersten Anschluss (31) elektrisch gekoppelt ist, die zweite Bezugselektrode (36) mit dem zweiten Anschluss (32) elektrisch gekoppelt ist und die erste Bezugselektrode (34) mit der zweiten Arbeitselektrode (37) an einem Halbbrückenmittelpunkt (HBM) elektrisch gekoppelt ist, wobei der Halbbrückenmittelpunkt (HBM) mittels des ersten elektrischen Energiespeichers (L₁) mit dem dritten Anschluss (33) elektrisch gekoppelt ist.
4. Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Energiespeicher (L₁) als Induktivität ausgebildet ist.
5. Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem ersten elektronisches Schaltelement (T₁) eine erste Diode (D₁) angeordnet ist und parallel zu dem zweiten elektronisches Schaltelement (T₂) eine zweite Diode (D₂) angeordnet ist.
6. Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (30) einen zweiten elektrischen Energiespeicher (C₁) aufweist, wobei der erste Anschluss (31) und der zweite Anschluss (32) mittels des zweiten elektrischen Energiespeichers (C₁) elektrisch gekoppelt sind.
7. Brennstoffzellenanordnung (20) mit einer Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mit: – einem an dem ersten Anschlusspaar (31, 33) angeschlossenen ersten Brennstoffzellenstapel (12), welcher eine erste Anzahl von Brennstoffzellen aufweist, und – einem an dem zweiten Anschlusspaar (32, 33) angeschlossen zweiten Brennstoffzellenstapel (22), welcher eine zweite Anzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei vorzugsweise die erste Anzahl kleiner ist als die zweite Anzahl, insbesondere deutlich kleiner ist.
8. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung (20) nach Anspruch 7.
9. Verfahren zum Ermitteln einer Impedanz einer Brennstoffzellenanordnung (10), die einen ersten Brennstoffzellenstapel (12) und einen zweiten Brennstoffzellenstapel (22) sowie eine Impedanzbestimmungsvorrichtung (10) mit einem elektronischen Signalgenerator (30) umfasst, wobei der erste Brennstoffzellenstapel (12) an einem ersten Anschlusspaar (31, 33) des Signalgenerators (30) und der zweite Brennstoffzellenstapel (22) an einem zweiten Anschlusspaar (32, 33) des Signalgenerators (30) angeschlossenen ist, mit den Schritten: – Ermitteln von elektrischen Spannungen an den beiden Brennstoffzellenstapeln (12, 22) und Bereitstellen zugehöriger Spannungs-Messwerte (U₁, U₂), – Ermitteln zumindest eines elektrischen Stroms durch einen der beiden Brennstoffzellenstapel (12, 22) und Bereitstellen zumindest eines zugehörigen Strom-Messwerts (I₁), und – Ermitteln eines Impedanzwerts des ersten Brennstoffzellenstapels (12) und/oder des zweiten Brennstoffzellenstapels (22) in Abhängigkeit der Spannungs-Messwerte (U₁, U₂) und des zumindest einen Strom-Messwerts (I₁), gekennzeichnet durch: – abwechselndes Ausgeben eines Signals an den ersten Brennstoffzellenstapel (12) und den zweiten Brennstoffzellenstapel (22) zur Ermittlung des jeweiligen Impedanzwerts.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch: – Bereitstellen des Signals mit mehreren Frequenzen, und – Bestimmen eines Impedanzspektrums bei mehreren Frequenzen.

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