DE102015210836A1 - A diagnostic method for determining a condition of a fuel cell stack - Google Patents

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Sebastian Kirsch
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Abstract

Die Erfindung betrifft Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10), der eine Mehrzahl von Einzelzellen (11) aufweist, jeweils umfassend eine in einem ersten Elektrodenraum (12) angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum (13) angeordnete zweite katalytische Elektrode, die durch eine ionenleitfähige Membran (14) voneinander getrennt sind. Es ist vorgesehen, dass die Zustandsermittlung eine Ermittlung eines diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran (14) oder einer hierzu äquivalenten Größe umfasst.The invention relates to diagnostic methods for determining a state of a fuel cell stack (10) having a plurality of individual cells (11), each comprising a first catalytic electrode arranged in a first electrode space (12) and a second catalytic one arranged in a second electrode space (13) Electrode, which are separated by an ion-conductive membrane (14). It is provided that the determination of the state comprises a determination of a diffusion and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane (14) or a variable equivalent thereto.

Description

Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels, der eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweist, wobei jede Einzelzelle jeweils eine in einem ersten Elektrodenraum angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum angeordnete zweite katalytische Elektrode umfasst sowie eine ionenleitfähige Membran, welche die beiden Elektrodenräume voneinander trennt. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen.The invention relates to a diagnostic method for determining a state of a fuel cell stack which has a plurality of individual cells, each individual cell each comprising a first catalytic electrode arranged in a first electrode space and a second catalytic electrode arranged in a second electrode space, and an ionically conductive membrane containing the separates two electrode spaces from each other. The invention further relates to a configured for carrying out the method fuel cell system and a vehicle with such.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist auf einem elektrisch leitfähigen kohlenstoffbasierten Material geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten. In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel (stack) durch eine Vielzahl in Reihe angeordneter Brennstoffzellen gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA) for membrane electrode assembly, which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter usually comprise precious metals supported on an electrically conductive carbon-based material, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide for an electrically conductive contact between the membrane-electrode units. As a rule, a fuel cell stack is formed by a plurality of series-arranged fuel cells whose electrical powers add up.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu 2O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side flux field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of O 2 to 2O 2- taking the electrons takes place. At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water.

Brennstoffzellen unterliegen im Laufe ihres Betriebslebens einer zunehmenden Alterung. Diese betrifft einerseits die katalytischen Elektroden infolge einer Agglomeration oder eines Verlusts des katalytischen Materials (zumeist Platin) sowie einer Korrosion des Kohlenstoff basierten Katalysatorträgers. Sämtliche dieser Degradationserscheinungen führen zu einer Abnahme der aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA für electrochemical active surface area). Zudem unterliegen auch die Polymerelektrolytmembranen einer Alterung in Form von einer Materialverdünnung oder sogar-perforation. Auch kann die Protonenleitfähigkeit der Membran und der in den katalytischen Elektroden vorhandenen Ionomere mit der Zeit abnehmen. Die Diagnose von Brennstoffzellen stellt eine Kernaufgabe für die Verbreitung von Brennstoffzellen dar. Während sich einzelne Zellen sehr gut diagnostizieren lassen, beispielsweise mittels Cyclovoltammetrie (CV), ist die Diagnose von Brennstoffzellenstapeln mit einer Vielzahl von Einzelzellen in Reihenschaltung erschwert. So regelt die Cyclovoltammetrie die Spannung und misst den Strom. Bei einer Reihenschaltung von Zellen lässt sich somit nicht die Spannung jeder einzelnen Zelle regeln. Weiterhin überlagern sich verschiedene Effekte, die zu unterschiedlichen Ursachen des gemessenen Stroms führen. Eine Lösung, um die einzelnen Phänomene differenziert zu betrachten und somit verschiedene Zustandsparameter von Elektroden und Membran gesondert zu erfassen, wäre wünschenswert. Fuel cells are subject to increasing aging during their lifetime. This relates on the one hand to the catalytic electrodes as a result of agglomeration or loss of the catalytic material (usually platinum) and corrosion of the carbon-based catalyst support. All of these degradation phenomena lead to a decrease in the active catalytic surface area (ECSA) for electrochemical active surface area. In addition, the polymer electrolyte membranes are also subject to aging in the form of material dilution or even perforation. Also, the proton conductivity of the membrane and the ionomers present in the catalytic electrodes may decrease over time. The diagnosis of fuel cells is a core task for the dissemination of fuel cells. While individual cells can be diagnosed very well, for example by cyclic voltammetry (CV), the diagnosis of fuel cell stacks with a large number of single cells connected in series is difficult. Cyclic voltammetry regulates the voltage and measures the current. In a series connection of cells can thus not regulate the voltage of each cell. Furthermore, different effects overlap, which lead to different causes of the measured current. A solution to consider the individual phenomena differentiated and thus separately detect different state parameters of electrodes and membrane, would be desirable.

Imanashi et al. ( H. Imanashi, K. Manabe, T. Ogawa & Y. Nonobe: Developement of Electric Power Contraol usig the Capacitance Characteristics oft he Fuel Cell, SAE International Journal of Engines 4(1), 2011, 1879–1887 ) beschreiben die Ermittlung der Doppelschichtkapazität eines Brennstoffzellenstapels mittels eines spannungsgeführten Cyclovoltagramms. Imanashi et al. ( H. Imanashi, K. Manabe, T. Ogawa & Y. Nonobe: Developement of Electric Power Contraol Uses the Capacitance Characteristics Often He Fuel Cell, SAE International Journal of Engines 4 (1), 2011, 1879-1887 ) describe the determination of the double-layer capacity of a fuel cell stack by means of a voltage-controlled cyclic voltammogram.

Brightman et al. ( E. Brightman, G. Hinds & R. O’Malley: In situ measurements of active catalyst surface area in fuel cell stacks, Journal of Power Sources 242, 2013, 244–254 ) beschreiben eine galvanostatische Methode, um die aktive Katalysatoroberfläche (ECSA) eines Brennstoffzellenstapels oder einzelner Zellen zu bestimmen. Hierfür wird die Zelle oder der Stapel mit einer konstanten positiven oder negativen Stromdichte beaufschlagt und anhand der Steigung der sich ergebenden Zellspannung die Doppelschichtkapazität und ECSA bestimmt. Um den Einfluss des Wasserstoffübertritts durch die Membran (H2-Crossover) zu minimieren, wird vorgeschlagen, eine hohe Stromdichte zu wählen, sodass der vergleichsweise langsame Wasserstoffübertritt gegenüber der schnellen Ladung beziehungsweise Entladung vernachlässigt werden kann. Ferner wird der verfälschende Einfluss des Wasserstoffübertritts durch eine geringe Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite minimiert.Brightman et al. ( E. Brightman, G. Hinds & R. O'Malley: In situ measurements of active catalyst surface area in fuel cell stacks, Journal of Power Sources 242, 2013, 244-254 ) describe a galvanostatic method to determine the active catalyst surface area (ECSA) of a fuel cell stack or individual cells. For this purpose, the cell or the stack is subjected to a constant positive or negative current density and based on the slope of the resulting cell voltage, the double-layer capacitance and ECSA determines. In order to minimize the influence of hydrogen permeation through the membrane (H 2 crossover), it is proposed to choose a high current density, so that the comparatively slow hydrogen transfer can be neglected compared with the rapid charge or discharge. Furthermore, the falsifying influence of hydrogen penetration is minimized by a low concentration of hydrogen on the anode side.

Die zuvor vorgestellten Diagnosemethoden zielen in erster Linie auf die Erfassung des Zustands der katalytischen Elektroden ab. Eine Betrachtung des Zustands der Membran erfolgt hierbei nicht. The diagnostic methods presented above are aimed primarily at detecting the state of the catalytic electrodes. A consideration of the condition of the membrane does not take place here.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, das eine Beurteilung des Alterungszustands der Polymerelektrolytmembran einer Brennstoffzelle erlaubt. Das Verfahren soll insbesondere auch auf einen Brennstoffzellenstapel im verpressten Zustand anwendbar sein (in situ) und idealerweise auch im Rahmen einer Onboard-Diagnostik durchführbar sein. The invention is based on the object of proposing a method which allows an assessment of the aging state of the polymer electrolyte membrane of a fuel cell. In particular, the method should also be applicable to a fuel cell stack in the compressed state (in situ) and, ideally, also be feasible in the context of on-board diagnostics.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Die Erfindung betrifft somit ein Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels, der eine Mehrzahl von Einzelzellen aufweist. Jede Einzelzelle umfasst eine in einem ersten Elektrodenraum angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum angeordnete zweite katalytische Elektrode sowie eine ionenleitfähige Membran, welche den ersten und den zweiten Elektrodenraum voneinander trennt. Erfindungsgemäß umfasst die Zustandsermittlung eine Ermittlung eines diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran oder einer zum Stoffstrom äquivalenten Größe.The invention thus relates to a diagnostic method for determining a condition of a fuel cell stack having a plurality of single cells. Each individual cell comprises a first catalytic electrode arranged in a first electrode space and a second catalytic electrode arranged in a second electrode space and an ion-conducting membrane which separates the first and the second electrode spaces from one another. According to the invention, the state determination comprises a determination of a diffusion-driven and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane or of an equivalent size to the stream.

Dabei wird im Rahmen der Erfindung unter einer zum Stoffstrom äquivalenten Größe eine solche Größe verstanden, welche eine Berechnung des Stoffstroms erlaubt, insbesondere sich proportional zum Stoffstrom verhält. In the context of the invention, a variable equivalent to the material flow is understood to mean a quantity which allows a calculation of the material flow, in particular, is proportional to the flow of material.

Es wurde herausgefunden, dass der Stoffstrom von Wasserstoff durch die Membran ein Zustandsparameter darstellt, der den Alterungszustand von Polymerelektrolytmembranen sehr gut beschreibt. Obwohl die Membran die Betriebsgase in den beiden Elektrodenräumen voneinander trennen soll, gelangt dennoch molekularer Wasserstoff durch die Membran, im Falle des Normalbetriebs der Brennstoffzelle von dem brennstoffseitigen Anodenraum in den luftseitigen Kathodenraum. Mit zunehmender Alterung der Membran nimmt der Stoffstrom über die Membran zu. Der Stoffstrom entsteht einerseits durch Diffusion infolge unterschiedlicher Partialdrücke (p*) zwischen Anoden- und Kathodenseite (p*An ≠ p*Kat). Da üblicherweise der Wasserstoffpartialdruck auf der Anodenseite größer ist, gelangt somit Wasserstoff infolge von Diffusion von der Anoden- zur Kathodenseite. Zusätzlich kann der Stoffstrom infolge von Permeation auftreten, das heißt bedingt durch eine Differenz des Absolutdrucks in den beiden Elektrodenräumen (pAn ≠ pKat). Sofern ein Permeationsstrom vorliegt, das heißt der Permeationsstrom ist ungleich Null, lässt sich auf sogenannten Lochfraß in der Membran schließen. It has been found that the flow of hydrogen through the membrane is a conditional parameter that very well describes the state of aging of polymer electrolyte membranes. Although the membrane is to separate the operating gases in the two electrode spaces from each other, yet molecular hydrogen passes through the membrane, in the case of normal operation of the fuel cell from the fuel-side anode compartment into the air-side cathode compartment. As the membrane ages, the flow of material across the membrane increases. On the one hand, the material flow is due to diffusion due to different partial pressures (p *) between the anode and cathode sides (p * An ≠ p * Kat ). Since usually the hydrogen partial pressure on the anode side is greater, thus hydrogen passes as a result of diffusion from the anode to the cathode side. In addition, the material flow can occur as a result of permeation, that is, due to a difference in the absolute pressure in the two electrode spaces (p An ≠ p cat ). If a permeation stream is present, ie the permeation flow is not equal to zero, it is possible to conclude what is known as pitting in the membrane.

In bevorzugter Ausführung des Verfahrens umfasst die Ermittlung des Stoffstroms von molekularem Wasserstoff die Erfassung eines elektrischen Pumpstroms, welcher erforderlich ist, um dem diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstrom von molekularem Wasserstoff durch die Membran entgegenzuwirken. Hier stellt somit der erfasste elektrische Pumpstrom die zum Stoffstrom äquivalente Größe dar. Der elektrische Pumpstrom korreliert unmittelbar mit der Größe des H2-Stoffstroms durch die Membran. Zudem lässt er sich über die in Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellenstapeln vorhandene elektrische Schaltung unmittelbar erfassen. In a preferred embodiment of the method, the determination of the molecular stream of molecular hydrogen comprises the detection of an electrical pumping current which is required to counteract the diffusion and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane. Here, therefore, the detected electrical pumping current represents the equivalent size to the material flow. The electrical pumping current correlates directly with the size of the H 2 -offowstream through the membrane. In addition, it can be detected directly via the electrical circuit present in fuel cells or fuel cell stacks.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Stoffstroms von Wasserstoff durch die Membran beziehungsweise des elektrischen Pumpstroms der erste Elektrodenraum mit Wasserstoff und der zweite Elektrodenraum mit einem Inertgas beaufschlagt oder liegt bereits betriebspunktbedingt in einem solchen Zustand vor. Unter diesen Bedingungen fungiert die zweite Elektrode als Arbeitselektrode und die erste Elektrode als Wasserstoffreferenzelektrode beziehungsweise Gegenelektrode. (Alle vorliegenden Spannungsangaben beziehen sich daher auf die Halbzellspannung gegenüber der Wasserstoffreferenzelektrode.) Dabei ist es zunächst unerheblich, ob es sich bei der als „erste Elektrode“ beziehungsweise „zweite Elektrode“ bezeichneten Elektrode um die Kathode oder Anode der Brennstoffzelle im Normalbetrieb handelt. In diesem Zustand wird dem Brennstoffzellenstapel ein Strom aufgeprägt, derart, dass die zweite katalytische Elektrode auf Anodenpotential geschaltet ist, sodass im zweiten Elektrodenraum vorliegender, zuvor molekular durch die Membran gewanderter Wasserstoff oxidiert wird und die entstehenden Protonen sodann zurück in den ersten Elektrodenraum wandern. Der hierfür erforderliche Pumpstrom wird gemessen. Auf diese Weise lässt sich in verfahrenstechnisch einfacher Weise der elektrische Pumpstrom ermitteln, welcher aufgewendet werden muss, um dem diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstrom von Wasserstoff durch die Membran entgegenzuwirken. Preferably, to determine the material flow of hydrogen through the membrane or the electric pumping current of the first electrode chamber with hydrogen and the second electrode chamber is acted upon with an inert gas or is already due to the operating point in such a state. Under these conditions, the second electrode acts as a working electrode and the first electrode as a hydrogen reference electrode or counter electrode. (All present voltage specifications therefore refer to the half-cell voltage with respect to the hydrogen reference electrode.) It is initially irrelevant whether the electrode referred to as "first electrode" or "second electrode" is the cathode or anode of the fuel cell in normal operation. In this state, a current is impressed on the fuel cell stack, such that the second catalytic electrode is switched to anode potential, so that in the second electrode space existing, molecularly previously migrated through the membrane hydrogen is oxidized and then the resulting protons migrate back into the first electrode space. The required pumping current is measured. In this way, the electric pumping current can be determined in a procedurally simple manner, which must be used to counteract the diffusion and / or permeation-driven flow of hydrogen through the membrane.

In bevorzugter Ausführung wird der Strom spannungs- oder stromgeführt aufgeprägt, derart, dass ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf (die Sollspannung) ein Spannungsmaximum durchläuft und der Strom zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums gemessen wird. Vorteil dieser Ausführung ist, dass zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums der Spannungsgradient dU/dt gleich Null ist und somit der kapazitive Strom, der zum Aufbau einer kapazitiven Doppelschicht an den Elektroden fließt, gleich Null ist. Somit wird der gemessene Strom nicht durch den kapazitiven Strom beeinflusst. Insbesondere wird jeweils der Strom erfasst, wenn individuelle Zellspannungen einzelner, jeweils eine oder mehrere Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels umfassende Diagnoseeinheiten ein Spannungsmaximum durchlaufen. Dabei kann eine Diagnoseeinheit jeweils eine oder mehrere Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels umfassen. Diese Vorgehensweise erlaubt eine Diagnose individueller Diagnoseeinheiten oder sogar Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels.In a preferred embodiment, the current is impressed voltage or current, such that a predetermined temporal voltage curve (the target voltage) passes through a voltage maximum and the current is measured at the time of the maximum voltage. The advantage of this design is that at the time of the voltage maximum, the voltage gradient dU / dt is equal to zero, and thus the capacitive current which flows at the electrodes to build up a capacitive double layer is equal to zero. Thus, the measured current is not affected by the capacitive current. In particular, the current is detected in each case when individual cell voltages of individual diagnostic units, each comprising one or more individual cells of the fuel cell stack, pass through a voltage maximum. In this case, a diagnostic unit in each case comprise one or more individual cells of the fuel cell stack. This approach allows diagnosis of individual diagnostic units or even single cells of the fuel cell stack.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt die Aufprägung des Stroms derart, dass das Spannungsmaximum möglichst schnell, insbesondere spätestens nach 5 s, vorzugsweise spätestens nach 3,5 s und besonders bevorzugt spätestens nach 2 s nach Beginn der Stromaufprägung erreicht wird. Auf diese Weise wird die Messung besonders robust und präzise. Mit Beginn der Aufladung der Doppelschichten verändert sich nämlich der zunächst recht stationäre Konzentationsgradient und damit der H2-Stoffstrom. Da dieser und der zugehörige Rück-Pumpstrom für jede Zelle anders ein kann, die Zellen aber in Reihe geschaltet sind und daher der Gesamtstrom in jeder Zelle gleich ist, werden die Doppelschichten unterschiedlich schnell geladen, das heißt die Spannungen divergieren. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer der Anteil des Pumpstroms am aufgeprägten Gesamtstrom ist. Je langsamer also geladen wird, desto größer ist dieser Anteil, desto inhomogener verhält sich der Stapel und desto schwieriger wird es, die unten genannten Spannungsgrenzen einzuhalten. Durch das schnelle Erreichen des Spannungsmaximums wird der Anteil des Pumpstroms bis zu diesem Zeitpunkt gering gehalten.According to a further preferred embodiment of the invention, the impressing of the current takes place in such a way that the maximum voltage is reached as quickly as possible, in particular at the latest after 5 seconds, preferably at the latest after 3.5 seconds and particularly preferably after 2 seconds after the beginning of the current application. In this way the measurement becomes particularly robust and precise. With the start of the charging of the bilayers, the initially quite stationary concentration gradient and thus the H 2 material flow changes. Since this and the associated back pump current can be different for each cell, but the cells are connected in series and therefore the total current in each cell is the same, the bilayers are charged at different rates, that is, the voltages diverge. This effect is stronger, the greater the proportion of the pumping current on the impressed total current. The slower it is loaded, the larger this proportion, the more inhomogeneous the stack behaves and the harder it is to comply with the voltage limits mentioned below. By quickly reaching the maximum voltage, the proportion of pumping current is kept low until this time.

Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Strom spannungsgeführt aufgeprägt wird, derart, dass ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf zumindest zeitweise eine Halbzellspannung im Bereich von 0,4 bis 0,8 Volt, insbesondere von 0,4 bis 0,6 Volt, annimmt und der Strom in diesem Spannungsbereich gemessen wird. Durch Überschreiten der unteren Grenze von 0,4 Volt pro Zelle wird erreicht, dass an den Elektroden kein Adsorbat von Wasserstoff mehr vorliegt, sodass der gemessene Strom nicht durch den für die Wasserstoffoxidation des H-Adsorbats aufgewendete Strommenge verfälscht wird. Die Einhaltung der oberen Grenze der Halbzellenspannung von 0,8 Volt, insbesondere von 0,6 Volt, verhindert, dass es zu einer Oxidation des katalytischen Materials der Elektroden kommt und somit zu einer Degradation derselben.Furthermore, it is preferably provided that the current is impressed in a voltage-controlled manner such that a predetermined temporal voltage curve at least temporarily assumes a half-cell voltage in the range from 0.4 to 0.8 volts, in particular from 0.4 to 0.6 volts, and the current measured in this voltage range. Exceeding the lower limit of 0.4 volts per cell ensures that no adsorbate of hydrogen is present at the electrodes, so that the measured current is not distorted by the amount of electricity used for the hydrogen oxidation of the H adsorbate. Compliance with the upper limit of the half-cell voltage of 0.8 volts, in particular 0.6 volts, prevents oxidation of the catalytic material of the electrodes and thus degradation thereof.

Besonders bevorzugt werden die beiden zuvor genannten Maßnahmen kombiniert, das heißt, es wird ein Spannungsverlauf vorbestimmt, dessen Spannungsmaximum in einem Bereich von 0,4 bis 0,8 Volt, insbesondere von 0,4 bis 0,6 Volt, liegt, sodass die Strommessung zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums in diesem Spannungsbereich erfolgt. Durch die Kombination der beiden Maßnahmen wird somit einerseits die Erfassung des kapazitiven Stroms und andererseits die Erfassung des Adsorbatstroms unterdrückt. Somit setzt sich der gemessene Strom nur noch aus dem zu bestimmenden Pumpstrom und einer Überlagerung durch einen elektrischen Kurzschlussstrom durch die Membran zusammen. Particularly preferably, the two measures mentioned above are combined, that is, it is a voltage profile predetermined whose maximum voltage in a range of 0.4 to 0.8 volts, in particular from 0.4 to 0.6 volts, so that the current measurement at the time of the voltage maximum in this voltage range. As a result of the combination of the two measures, on the one hand the detection of the capacitive current and on the other hand the detection of the adsorbate current is suppressed. Thus, the measured current is composed only of the pumping current to be determined and an overlay by an electrical short-circuit current through the membrane.

In vielen Fällen ist der elektrische Kurzschlussstrom vernachlässigbar klein und muss nicht gesondert berücksichtigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens sieht jedoch vor, dass die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung des elektrischen Kurzschlussstroms durch die Membran umfasst und der gemessene Strom um diesen Kurzschlussstrom korrigiert wird, um somit den gewünschten Pumpstrom zu erhalten. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Verfahrens in Bezug auf den Pumpstrom verbessert. Zudem wird das Diagnoseverfahren um die Ermittlung einer weiteren Kenngröße, nämlich den elektrischen Kurzschlussstrom ergänzt. In many cases, the electrical short-circuit current is negligibly small and need not be considered separately. A preferred embodiment of the method provides, however, that the state determination further comprises a determination of the electrical short-circuit current through the membrane and the measured current is corrected by this short-circuit current, so as to obtain the desired pumping current. In this way the accuracy of the method with respect to the pumping current is improved. In addition, the diagnostic method is supplemented by the determination of a further parameter, namely the electrical short-circuit current.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich als Offboard-Verfahren durchgeführt werden, beispielsweise im Rahmen eines Werkstattintervalls erfolgen. In diesem Fall werden der erste und der zweite Elektrodenraum bevorzugt mit vorkonditionierten Gasen, das heißt Wasserstoff einerseits und Inertgas andererseits, kontinuierlich durchspült. Vorzugsweise werden hier Umgebungsparameter, beispielsweise Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Gase konstant gehalten. The method according to the invention can, of course, be carried out as an off-board method, for example as part of a workshop interval. In this case, the first and the second electrode space are preferably continuously purged with preconditioned gases, that is to say hydrogen on the one hand and inert gas on the other hand. Preferably, environmental parameters, such as temperature, pressure and humidity of the gases are kept constant here.

Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch als Onboard-Verfahren durchgeführt und der Pumpstrom während eines geeigneten Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels, insbesondere innerhalb eines Standby-Modus erfasst. Der Standby-Modus bietet sich zur Durchführung des Verfahrens an, da im Standby-Modus keine Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel erfolgt. Ferner wird im Standby-Modus üblicherweise die Luftzufuhr zur Kathode ausgeschaltet, während die Anodengasrezirkulation aufrechterhalten wird. Somit kommt es zu einem Verbrauch des Luftsauerstoffs an der Kathode, sodass schließlich an der Kathode im Wesentlichen Stickstoff als Inertgas vorliegt und an der Anode Wasserstoff. In diesem Fall wird zur Durchführung des Verfahrens die Anode als Wasserstoffreferenzelektrode betrieben und die eigentliche Kathode auf Anodenpotential geschaltet, sodass sie als Arbeitselektrode fungiert und den durch die Membran hindurchtretenden Wasserstoff oxidiert und die entstehenden Protonen durch die Membran zurück zur Anode wandern. Die Onboard-Diagnose ermöglicht eine engmaschige Überwachung des Brennstoffzellenstapels auch außerhalb von Werkstattaufenthalten. Preferably, however, the method is carried out as an on-board method and the pumping current is detected during a suitable operating mode of the fuel cell stack, in particular within a standby mode. The standby mode is ideal for carrying out the method, since in standby mode no power request is made to the fuel cell stack. Further, in standby mode, usually the air supply to the cathode is turned off while the anode gas recirculation is maintained. Thus, there is a consumption of atmospheric oxygen at the cathode, so that finally at the cathode substantially nitrogen is present as an inert gas and hydrogen at the anode. In this case, to carry out the method, the anode is operated as a hydrogen reference electrode and the actual cathode switched to anode potential, so that it acts as a working electrode and oxidized passing through the membrane hydrogen and migrate the resulting protons through the membrane back to the anode. Onboard diagnostics enable close monitoring of the fuel cell stack even outside of the workshop.

Grundsätzlich kann der diffusions- und/oder permeationsgetriebene Stoffstrom von molekularem Wasserstoff durch die Membran beziehungsweise der entsprechende elektrische Pumpstrom in beliebige Richtung erfasst werden. In bevorzugter Ausführung des Verfahrens entspricht der erste Elektrodenraum im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels dem mit Brennstoff versorgten Anodenraum und die darin angeordnete erste katalytische Elektrode der Anode, während der zweite Elektrodenraum im Normalbetrieb der mit Luft versorgte Kathodenraum ist und die darin angeordnete zweite katalytische Elektrode der Kathode entspricht. Auf diese Weise wird der vorteilhafte Nebeneffekt erreicht, dem im Betrieb der Brennstoffzelle unerwünschten Wasserstoffstrom durch die Membran, insbesondere im zuvor dargestellten Standby-Modus entgegenzuwirken. In principle, the diffusion and / or permeation-driven material flow of molecular hydrogen through the membrane or the corresponding electrical pumping current can be detected in any direction. In a preferred embodiment of the method, during normal operation of the fuel cell stack, the first electrode space corresponds to the anode space provided with the fuel and the first catalytic electrode of the anode arranged therein, while the second electrode space is the air-supplied cathode space during normal operation and the second catalytic electrode arranged therein corresponds to the cathode , In this way, the advantageous side effect is achieved to counteract the unwanted hydrogen flow through the membrane during operation of the fuel cell, in particular in the previously described standby mode.

Die Ermittlung des diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stofftransports von molekularem Wasserstoff durch die Membran kann für den gesamten Brennstoffzellenstapel erfolgen oder für individuelle Diagnoseeinheiten desselben, umfassend eine oder mehrere Einzelzellen. In letzterem Fall ist erforderlich, dass die Einzelzelle beziehungsweise die mehrere Einzelzellen umfassende Diagnoseeinheit jeweils über einen eigenen elektrischen Zellspannungsabgriff verfügt, der eine individuelle Messung der Spannung ermöglicht. Erfolgt die Ermittlung für den gesamten Brennstoffzellenstapel, das heißt über sämtliche Einzelzellen, wird der Stofftransport beziehungsweise der Pumpstrom als ein Mittelwert über sämtliche Zellen erfasst. The determination of the diffusion- and / or permeation-driven mass transport of molecular hydrogen through the membrane can be carried out for the entire fuel cell stack or for individual diagnostic units thereof, comprising one or more individual cells. In the latter case, it is necessary for the individual cell or the diagnostic unit comprising a plurality of individual cells each to have its own electrical cell voltage tap, which enables an individual measurement of the voltage. If the determination is made for the entire fuel cell stack, that is to say over all individual cells, the mass transport or pumping current is recorded as an average over all cells.

In vorteilhafter Ausführung des Verfahrens umfasst die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung einer Doppelschichtkapazität zumindest einer der katalytischen Elektroden, wobei die Doppelschichtkapazität in Abhängigkeit von dem ermittelten Stoffstrom beziehungsweise dem elektrischen Pumpstrom bestimmt wird. Verschiedene Verfahren zur Ermittlung der Doppelschichtkapazität sind bekannt. Jedoch war es bislang nicht möglich, in verpressten Brennstoffzellenstapeln den Stofftransport von Wasserstoff durch die Membran zu bestimmen und die erfasste Doppelschichtkapazität von den Effekten des Stofftransport zu bereinigen. In an advantageous embodiment of the method, the state determination further comprises a determination of a double-layer capacitance of at least one of the catalytic electrodes, wherein the double-layer capacitance is determined as a function of the determined material flow or the electrical pumping current. Various methods for determining the double-layer capacity are known. However, to date it has not been possible to determine the mass transfer of hydrogen through the membrane in compressed fuel cell stacks and to eliminate the detected double-layer capacity from the effects of mass transfer.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung einer aktiven Katalysatoroberfläche zumindest einer der katalytischen Elektroden, die in Abhängigkeit von dem ermittelten Stoffstrom beziehungsweise elektrischen Pumpstrom und der ermittelten Doppelschichtkapazität bestimmt wird. According to a further embodiment of the invention, the state determination further comprises a determination of an active catalyst surface of at least one of the catalytic electrodes, which is determined as a function of the determined material flow or electrical pumping current and the determined double-layer capacitance.

Die elektrische Doppelschichtkapazität sowie die aktive Katalysatoroberfläche erlaubt Rückschlüsse auf den Zustand der katalytischen Elektroden, insbesondere auf eine Agglomeration oder einen Verlust des katalytischen Materials und/oder einer Degradation des Katalysatorträgermaterials. Auf Basis des erfindungsgemäß bestimmten Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran und gegebenenfalls der Erfassung des Kurzschlussstroms durch die Membran können somit die Doppelschichtkapazität sowie die aktive Katalysatoroberfläche der katalytischen Elektroden in einer Serie von zwei beziehungsweise drei aufeinander aufbauenden Testmessungen ermittelt werden. Optional kann die Zustandsermittlung ferner die Bestimmung der Protonenleitfähigkeit der Membran und gegebenenfalls von Ionen leitenden Polymeren innerhalb der Elektroden in einer gesonderten Messung umfassen. Die Erfassung der verschiedenen Zustandsgrößen wird in den Ausführungsbeispielen noch erläutert.The electrical double-layer capacitance and the active catalyst surface allow conclusions about the state of the catalytic electrodes, in particular on an agglomeration or a loss of the catalytic material and / or a degradation of the catalyst support material. On the basis of the inventively determined material flow of molecular hydrogen through the membrane and optionally the detection of the short-circuit current through the membrane thus the double-layer capacitance and the active catalyst surface of the catalytic electrodes can be determined in a series of two or three consecutive test measurements. Optionally, the state determination may further comprise determining the proton conductivity of the membrane and, optionally, ion-conducting polymers within the electrodes in a separate measurement. The detection of the various state variables will be explained in the embodiments.

Im Rahmen der Erfindung können für die Messungen, die zur Bestimmung des Pumpstroms, des elektrischen Kurzschlussstroms, der Doppelschichtkapazität und/oder der aktiven Katalysatoroberfläche erforderlich sind, die Bedingungen in dem ersten und zweiten Elektrodenraum gezielt eingestellt werden, um die gewünschten Messgrößen sichtbar zu machen. Insbesondere werden Druck, Temperatur, Gasstrom und/oder Gaszusammensetzung eingestellt. Dieses ist in der Offboard-Diagnose ohne Weiteres möglich. Im Falle der Durchführung als Onboard-Diagnose erfolgt diese Einstellung der Messbedingungen vorzugsweise in Abhängigkeit des Betriebspunkts oder Zustands des Brennstoffzellenstapels.In the context of the invention, for the measurements required for determining the pumping current, the electric short-circuit current, the double-layer capacitance and / or the active catalyst surface, the conditions in the first and second electrode spaces can be adjusted in a targeted manner in order to visualize the desired measured quantities. In particular, pressure, temperature, gas flow and / or gas composition are adjusted. This is easily possible in off-board diagnostics. In the case of execution as an on-board diagnosis, this setting of the measurement conditions preferably takes place as a function of the operating point or state of the fuel cell stack.

In bevorzugter Ausführung werden die Bestimmungen des Pumpstroms, des elektrischen Kurzschlussstroms, der Doppelschichtkapazität und/oder der aktiven Katalysatoroberfläche oder die für diese Größen erforderlichen Teilmessungen zeitlich unabhängig und in beliebiger Reihenfolge durchgeführt. Die Festlegung des Zeitpunkts und der Reihenfolge erfolgt insbesondere in Abhängigkeit eines Betriebspunkts und/oder Zustands des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise einer externen Leistungsanforderung an diesen. Auf diese Weise können die erforderlichen Teilmessungen der aufeinander aufbauenden Größen unabhängig voneinander durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise erlaubt insbesondere die Durchführung des Diagnoseverfahrens im Wege einer Onboard-Diagnose, wobei die Einzelerfassungen intelligent mit der aktuellen Betriebssituation abgestimmt werden. In a preferred embodiment, the determinations of the pumping current, the electric short-circuit current, the double-layer capacitance and / or the active catalyst surface or the partial measurements required for these quantities are carried out independently of time and in any order. The determination of the time and the sequence takes place in particular as a function of an operating point and / or state of the fuel cell stack, for example, an external power demand on this. In this way, the required partial measurements of the successive sizes can be performed independently. This procedure allows, in particular, the implementation of the diagnostic method by means of an on-board diagnosis, whereby the individual acquisitions are intelligently coordinated with the current operating situation.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Das Brennstoffzellensystem umfasst insbesondere einen Brennstoffzellenstapel und eine Steuerungseinrichtung für diesen, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck weist die Steuerungseinrichtung einen computerlesbaren Programmalgorithmus auf, der das Verfahren ausführt. Ferner kann die Steuerungseinrichtung Kennlinien und/oder Kennfelder aufweisen, aus denen in Abhängigkeit von Eingangswerten entsprechende Ausgangswerte, beispielsweise Steuerwerte zur Ansteuerung verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems, ermittelt werden.Another aspect of the invention relates to a fuel cell system configured to carry out the method according to the invention. The fuel cell system comprises in particular a fuel cell stack and a control device for the same, which is set up to carry out the method according to the invention. For this purpose, the controller has a computer readable program algorithm executing the method. Furthermore, the control device can have characteristic curves and / or characteristic maps from which corresponding output values, for example control values for controlling various components of the fuel cell system, are determined as a function of input values.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Fahrzeug, das zumindest einen Elektromotor als Traktionsmotor aufweist, mit dem allein oder in Kombination mit einem Verbrennungsmotor das Fahrzeug angetrieben wird. Another aspect of the invention relates to a vehicle having such a fuel cell system. Preferably, this is a vehicle having at least one electric motor as a traction motor, with which alone or in combination with an internal combustion engine, the vehicle is driven.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung; 1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the invention;

2 eine Messanordnung zur Durchführung des Diagnoseverfahrens nach einer ersten Ausgestaltung; 2 a measuring arrangement for carrying out the diagnostic method according to a first embodiment;

3 eine Messanordnung zur Durchführung des Diagnoseverfahrens nach einer zweiten Ausgestaltung; 3 a measuring arrangement for carrying out the diagnostic method according to a second embodiment;

4 eine Messanordnung zur Durchführung des Diagnoseverfahrens nach einer dritten Ausgestaltung; 4 a measuring arrangement for carrying out the diagnostic method according to a third embodiment;

5 zeitliche Verläufe der Spannung und der Stromdichte während der Messung des diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms; 5 time profiles of the voltage and the current density during the measurement of the diffusion and / or permeation-driven material flow;

6 zeitliche Verläufe der Spannung und der Stromdichte während der Messung der Doppelkapazität und der ECSA und 6 Timing of the voltage and the current density during the measurement of the double capacitance and the ECSA and

7 einen Entscheidungsalgorithmus zur Koordinierung der Messwerterfassung zur Durchführung des Diagnoseverfahrens. 7 a decision algorithm for coordinating the data acquisition for performing the diagnostic method.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a total of 100 designated fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a not further illustrated vehicle, in particular an electric vehicle having an electric traction motor, by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 15 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt. The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having. Every single cell 11 each includes an anode compartment 12 and a cathode compartment 13 that of an ion-conductive Polymer electrolyte membrane 14 are separated from each other (see detail). The anode and cathode compartment 12 . 13 each comprises a catalytic electrode, the anode or the cathode (not shown), which catalyzes the respective partial reaction of the fuel cell reaction. The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material. Between two such membrane-electrode assemblies is also one each with 15 indicated bipolar plate arranged, which the supply of the operating media in the anode and cathode spaces 12 . 13 serves and also the electrical connection between the individual fuel cells 11 manufactures.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. To the fuel cell stack 10 to supply with the operating gases, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.The anode supply 20 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable. In addition, the anode supply can 20 as shown, a fuel recirculation line 25 comprising the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack. In the fuel recirculation line 25 is another adjusting agent 26 arranged, with which the recirculation rate is adjustable.

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplying an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown.

Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt. For conveying and compressing the cathode operating medium is in the cathode supply path 31 a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 designed as a mainly electric motor driven compressor whose drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows. The compressor 33 may also be through a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) are supported by a common shaft (not shown) driven. The turbine 36 represents an expander, which causes an expansion of the cathode exhaust gas and thus a reduction of its pressure.

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment, a wastegate line 37 having the cathode supply line 31 with the cathode exhaust gas line 32 connects, so a bypass of the fuel cell stack 10 represents.

Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, den Betriebsdruck und/oder den Massenstrom des Kathodenbetriebsmediums kurzfristig im Brennstoffzellenstapel 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen oder als zusätzliche Verdichter ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können und eine Regelbarkeit des Systems sicherzustellen.The wastegate pipe 37 allows the operating pressure and / or the mass flow of the cathode operating medium in the fuel cell stack in the short term 10 reduce without the compressor 33 shut down. One in the wastegate pipe 37 arranged adjusting means 38 allows control of the amount of the fuel cell stack 10 immediate cathode operating medium. All adjusting means 24 . 26 . 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps or as additional compressors. Corresponding further actuating means can be in the lines 21 . 22 . 31 and 32 be arranged to the fuel cell stack 10 isolate from the environment and ensure controllability of the system.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.The fuel cell system 100 also has a humidifier module 39 on. The humidifier module 39 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas. The humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure Water vapor in the cathode exhaust gas transfers to the cathode operating gas via the membrane, which is humidified in this way.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. Thus, in the anode and / or cathode exhaust path 22 . 32 a water separator may be installed to condense and drain the product water resulting from the fuel cell reaction. Finally, the anode exhaust gas line 22 into the cathode exhaust gas line 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.

2 zeigt eine insgesamt mit 200 bezeichnete Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Hier ist mit 10 wieder der Brennstoffzellenstapel bezeichnet, der hier beispielhaft lediglich als eine Einzelzelle mit einem Anodenraum 12 und einem Kathodenraum 13 dargestellt ist. Die Anordnung 200 umfasst ein Netzteil 40, das über Lastkabel 41 mit Polanschlüssen des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist. Ein Stromsensor (Amperemeter) 42 erlaubt die Erfassung eines elektrischen Stroms I, mit welchem der Brennstoffzellenstapel 10 beaufschlagt wird oder welcher von dem Stapel 10 erzeugt wird. Ein Spannungssensor (Voltmeter) 43 erlaubt die Erfassung einer Spannung U, mit der der Brennstoffzellenstapel 10 beaufschlagt wird beziehungsweise welche durch diesen erzeugt wird. Die Anordnung 200 umfasst ferner eine Diagnoseeinrichtung 44. Die Diagnoseeinrichtung 44 empfängt über hier unterbrochen eingezeichnete Datenleitungen die mit dem Stromsensor 42 erfasste Stromstärke oder -dichte I und die mit dem Spannungssensor 43 erfasste Stapelspannung U. Sofern der Brennstoffzellenstapel 10 über eine Einzelzellerfassung verfügt, mittels derer die Einzelzellspannungen einzelner Zellen oder Kombinationen einzelner Zellen gemessen werden können, so werden auch diese Größen Ui in die Diagnoseeinrichtung 44 eingelesen, wobei der Index i eine einzelne Diagnoseeinheit des Stapels 10 umfasst, die aus einer einzelnen Zelle oder aus einer zusammengefassten Anzahl von Einzelzellen besteht. 2 shows a total with 200 designated arrangement for carrying out the diagnostic method according to the invention in a first embodiment of the invention. Here is with 10 again denotes the fuel cell stack, the example here only as a single cell with an anode compartment 12 and a cathode compartment 13 is shown. The order 200 includes a power supply 40 that via load cable 41 with pole terminals of the fuel cell stack 10 connected is. A current sensor (ammeter) 42 allows the detection of an electric current I, with which the fuel cell stack 10 is applied or which of the stack 10 is produced. A voltage sensor (voltmeter) 43 allows the detection of a voltage U, with which the fuel cell stack 10 is applied or which is generated by this. The order 200 further includes a diagnostic device 44 , The diagnostic device 44 receives the data lines interrupted here with those with the current sensor 42 detected current intensity or density I and those with the voltage sensor 43 detected stack voltage U. If the fuel cell stack 10 has a single cell detection, by means of which the single-cell voltages of individual cells or combinations of individual cells can be measured, so these variables U i in the diagnostic device 44 The index i is a single diagnostic unit of the stack 10 which consists of a single cell or a combined number of single cells.

In 2 weist die Diagnoseeinrichtung 44 die Funktion der Datenerfassung (I, U, Ui) auf sowie eines Sollwertgebers, welcher über die Steuerleitung an das Netzteil 40 beziehungsweise die Last 45 übergeben wird, und gegebenenfalls einer Regelung des Sollwerts. Optional kann die Diagnoseeinrichtung 44 eine Bauteilschutzfunktion aufweisen, indem sie die Spannungen überwacht und gegebenenfalls das Netzteil 40 beziehungsweise die Last 45 abschaltet.In 2 has the diagnostic device 44 the function of data acquisition (I, U, U i ) on and a setpoint generator, which via the control line to the power supply 40 or the load 45 is transferred, and optionally a control of the setpoint. Optionally, the diagnostic device 44 have a component protection function by monitoring the voltages and possibly the power supply 40 or the load 45 off.

Die in 2 dargestellte Anordnung ist geeignet, die Messung des elektrischen Kurzschlussstroms (allerdings mit einer abweichenden Gasbeschickung), des elektrischen Pumpstroms sowie der galvanischen Aufladung zur Ermittlung der Doppelschichtkapazität sowie der ECSA durchzuführen. Sofern zusätzlich die Bestimmung der Protonenleitfähigkeit der Membran- und Elektrodenionomeren erfolgt, ist das Netzteil 40 durch eine elektrische Last 45 ersetzt oder weist zusätzlich eine Lastfunktion auf.In the 2 The arrangement shown is suitable for carrying out the measurement of the electric short-circuit current (but with a different gas feed), the electrical pumping current and the galvanic charging for determining the double-layer capacitance and the ECSA. If, in addition, the determination of the proton conductivity of the membrane and electrode ionomers is carried out, the power supply is 40 by an electrical load 45 replaces or additionally has a load function.

3 zeigt eine Diagnoseanordnung 200 in einer zweiten Ausführung. Die in 3 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der aus 2 im Wesentlichen dadurch, dass die Diagnoseeinrichtung 44 durch zwei funktionale Einheiten ersetzt ist. Diese umfassen einerseits eine Datenerfassungseinrichtung 46, in welche über die Signalleitungen die Messdaten I, U und/oder Ui eingehen, und andererseits eine Steuereinrichtung 47, welche über die Steuerleitung das Netzteil 40 beziehungsweise die Last 45 mit einem Sollwert ansteuert. Optional kann die Steuereinrichtung 47 die über den Stromsensor 42 erfasste Stromstärke I einlesen, um gegebenenfalls eine Regelung von Strom oder Spannung zu ermöglichen. 3 shows a diagnostic device 200 in a second embodiment. In the 3 shown arrangement differs from the 2 essentially in that the diagnostic device 44 is replaced by two functional units. These include on the one hand a data acquisition device 46 into which the measured data I, U and / or U i are received via the signal lines, and on the other hand a control device 47 , which via the control line the power supply 40 or the load 45 with a setpoint. Optionally, the control device 47 via the current sensor 42 read current detected I, if necessary, to allow control of current or voltage.

In der in 3 gezeigten Ausführung übernimmt die Datenerfassungseinrichtung 46 die Funktionen der Datenerfassung und -auswertung, während die Steuereinrichtung 47 als Sollwertgeber für das Netzteil 40 beziehungsweise die Last 45 gegebenenfalls mit einer entsprechenden Regelungsfunktion dient. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung eine Bauteilschutzfunktion aufweisen, indem sie das Netzteil 40 beziehungsweise die Last 45 zum Schutz des Stapels 10 abschaltet. In the in 3 the embodiment shown assumes the data acquisition device 46 the functions of data collection and evaluation, while the control device 47 as setpoint generator for the power supply 40 or the load 45 optionally with a corresponding control function. In addition, the controller may have a component protection function by connecting the power supply 40 or the load 45 to protect the stack 10 off.

Noch eine weitere Variante der Diagnoseanordnung 200 ist in 4 gezeigt. Hier ist in einem der beiden Lastkabel 41 zwischen Netzteil 40 / Last 45 und dem Stromsensor 42 ein Relais 48 angeordnet. Dieses wird durch die Steuereinrichtung 47 angesteuert, um eine Unterbrechung des Stromkreises zum Bauteilschutz zu ermöglichen. Die Anordnung gemäß 4 enthält ferner einen separaten Sollwertgeber 49, welcher das Netzteil 40 beziehungsweise die Last 45 mit einem entsprechenden Sollwert ansteuert und optional regelt. Yet another variant of the diagnostic arrangement 200 is in 4 shown. Here is one of the two load cables 41 between power supply 40 / Load 45 and the current sensor 42 a relay 48 arranged. This is done by the controller 47 controlled to allow an interruption of the circuit for component protection. The arrangement according to 4 also contains a separate setpoint generator 49 which is the power adapter 40 or the load 45 with a corresponding setpoint controls and optional controls.

Nachfolgend wird die Durchführung des Diagnoseverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführung und unter Verwendung der Diagnoseanordnung gemäß 2 näher erläutert. Hereinafter, the implementation of the diagnostic method according to a preferred embodiment and using the diagnostic device according to 2 explained in more detail.

Das hier vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst bevorzugt die Ermittlung folgender Zustandsgrößen einer Brennstoffzelle, die wesentlich und intrinsisch für die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels und seiner Degradation sind:

  • 1. Elektrischer Kurzschlussstrom durch die Membran (→ Ishort)
  • 2. Wasserstoff-Stoffstrom durch die Membran (H2-Crossover) (→ IH2)
  • 3. Kapazität der Doppelschicht in der Katalysatorschicht (→ Icdl)
  • 4. Aktive Katalysatoroberfläche (ECSA) (→ Iad)
  • 5. Protonenleitfähigkeit der Membran.
The diagnostic method presented here preferably includes the determination of the following state variables of a fuel cell, which are essential and intrinsic for the fuel cell stack's performance and its degradation:
  • 1. Electrical short-circuit current through the membrane (→ I short )
  • 2. Hydrogen flow through the membrane (H 2 crossover) (→ I H2 )
  • 3. Capacity of the double layer in the catalyst layer (→ I cdl )
  • 4. Active Catalyst Surface (ECSA) (→ I ad )
  • 5. Proton conductivity of the membrane.

Im Rahmen der Diagnose bauen die vorstehenden Zustandsermittlungen 1 bis 4 in Form einer Verkettung von drei Messungen aufeinander auf (siehe Gleichung 1). Dabei dienen die Ergebnisse der Messungen 1 bis 3 jeweils der Korrektur der nachfolgenden Messung. Demgegenüber bildet die Messung 5 eine eigenständige, von den anderen Messungen unabhängige Messung und dient der Vervollständigung der Diagnose. IMess = Ishort,i + IH2,i + Icdl,i + Iad,i (1) As part of the diagnosis, the above state determinations 1 to 4 build on each other in the form of a concatenation of three measurements (see equation 1). The results of measurements 1 to 3 serve to correct the subsequent measurement. In contrast, the measurement 5 is an independent measurement independent of the other measurements and serves to complete the diagnosis. I measurement = I short, i + I H2, i + I cdl, i + I ad, i (1)

In den vorliegend verwendeten Gleichungen bedeutet der Index i die i-te Diagnoseeinheit des Brennstoffzellenstapels. Diese kann eine Einzelzelle oder ein Zusammenschluss mehrerer Einzelzellen oder aber den gesamten Stapel umfassen. Sofern mehr als eine Zelle in einer Diagnoseeinheit zusammengefasst sind, beziehen sich die Angaben stets auf den Mittelwert pro Einzelzelle der Diagnoseeinheit.In the equations used herein, index i represents the ith diagnostic unit of the fuel cell stack. This may comprise a single cell or a combination of several individual cells or the entire stack. If more than one cell are combined in one diagnostic unit, the information always refers to the mean value per individual cell of the diagnostic unit.

1. Messung des elektrischen Kurzschlussstroms (Ishort,i)1. Measurement of the electrical short-circuit current (I short, i )

Die Membran einer Brennstoffzelle ist zwar als Isolator konzipiert, verfügt naturgemäß aber nur über einen endlichen Widerstand gegenüber der Elektronenleitung, sodass Kriechströme auftreten. Der elektrische Kurzschlussstrom kann vernachlässigbar sein, insbesondere bei fabrikneuen Brennstoffzellen. Er kann jedoch relevant werden, wenn die Membran gealtert ist. Der elektrische Kurzschlussstrom Ishort,i bestimmt sich nach Gleichung 2, in der Rshort,i der Ohm’sche Widerstand der Membran gegen Elektronenleitung ist und Ui die Einzelzellspannung. Ishort,i = Rshort,i·Ui (2) Although the membrane of a fuel cell is designed as an insulator, naturally it has only a finite resistance to the electron conduction, so that leakage currents occur. The electrical short-circuit current may be negligible, especially in brand-new fuel cells. However, it may become relevant when the membrane has aged. The electrical short-circuit current I short, i is determined according to equation 2, in which R short, i is the ohmic resistance of the membrane against electron conduction and U i is the single-cell voltage. I short, i = R short, i · U i (2)

Die Messung des Kurzschlussstroms über die Membran erfolgt beispielsweise unter Verwendung der Anlage in 2, indem beide Elektrodenräume 12, 13 mit möglichst identischen Gasbedingungen beaufschlagt werden. Beispielsweise werden sowohl der erste als auch der zweite Elektrodenraum 12, 13 jeweils mit vorkonditionierter Luft, vorkonditioniertem Sauerstoff oder Stickstoff definierter Temperatur, Druck, Feuchtigkeit sowie Zusammensetzung beaufschlagt und im bevorzugten Fall kontinuierlich gespült. Unter diesen Bedingungen sollte keinerlei Stoffstrom über die Membran 14 erfolgen, das heißt, der kinetische Strom ist gleich null. Zur Messung des Kurzschlussstroms wird an dem Brennstoffzellenstapel 10 eine geringe Spannung von beispielsweise 0,1 Volt pro Einzelzelle über das Netzteil 40 angelegt und der Strom IMess sowie die Spannungen der Diagnoseeinheiten Ui erfasst. Aufgrund der gewählten Bedingungen entspricht der während dieser Messung fließende Strom dem Kurzschlussstrom IMess = Ishort,i. Mit Gleichung (2) lässt sich daraus nun der elektrische Widerstand der Membran Rshort,i berechnen. Die Kenntnis dieser Werte erlaubt es, die späteren Messungen zusammen mit den dann gemessenen Zeitverläufen Ui(t) zu jedem Zeitpunkt um die dann fließenden Kurzschlussströme Ishort,i(t) zu korrigieren.The measurement of the short-circuit current across the membrane, for example, using the system in 2 by taking both electrode spaces 12 . 13 be subjected to identical gas conditions as possible. For example, both the first and the second electrode space 12 . 13 each with pre-conditioned air, preconditioned oxygen or nitrogen defined temperature, pressure, humidity and composition applied and rinsed continuously in the preferred case. Under these conditions, there should be no material flow across the membrane 14 that is, the kinetic current is zero. To measure the short-circuit current is at the fuel cell stack 10 a low voltage of, for example, 0.1 volts per single cell via the power supply 40 created and the current I measured and the voltages of the diagnostic units U i detected. Due to the selected conditions, the current flowing during this measurement corresponds to the short-circuit current I meas = I short, i . Equation (2) can now be used to calculate the electrical resistance of the membrane R short, i . The knowledge of these values makes it possible to correct the later measurements together with the then measured time curves U i (t) at any time by the then flowing short-circuit currents I short, i (t).

Zu diesem Zweck werden die bestimmten elektrischen Widerstände Rshort,i der einzelnen Diagnoseeinheiten oder des gesamten Stapels 10 gespeichert. For this purpose, the specific electrical resistances R short, i of the individual diagnostic units or of the entire stack 10 saved.

2. Messung des diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von H2 durch die Membran (IH2,i)2. Measurement of the diffusion- and / or permeation-driven material flow of H 2 through the membrane (I H2, i )

Obwohl die Membran 14 die Betriebsgase stofflich voneinander trennen soll, gelangt molekularer Wasserstoff über die Membran in den anderen Elektrodenraum. Im Falle unterschiedlicher H2-Partialdrücke (p*H2) in den Elektrodenräumen 12, 13 erfolgt dies diffusionsgetrieben in Richtung des niedrigeren H2-Partialdrucks. Bei unterschiedlichen Absolutdrücken in den Elektrodenräumen 12, 13 kommt es zu einem permeationsgetriebenen Stoffstrom über die Membran auf diejenige Elektrodenseite mit dem geringeren Absolutdruck. Der Stoffstrom von molekularem Wasserstoff durch die Membran wird in Form eines elektrischen Pumpstroms erfasst, welcher erforderlich ist, um dem diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstrom entgegenzuwirken. Zu diesem Zweck wird der erste Elektrodenraum 12 mit Wasserstoff H2 und der zweite Elektrodenraum 13 mit einem Inertgas, hier Stickstoff N2, beaufschlagt und kontinuierlich gespült, wobei die Gase hinsichtlich Temperatur, Druck und Feuchtigkeit vorkonditioniert sind. Die Bedingungen werden konstant gehalten. Aufgrund des höheren H2-Partialdrucks im ersten Elektrodenraum 12 erfolgt ein diffusionsgetriebener Stofftransport von dem ersten in den zweiten Elektrodenraum 13. Sofern zusätzlich die Absolutdrücke in den Elektrodenräumen 12, 13 voneinander abweichen, kommt es (im Falle einer defekten Membran) zusätzlich zu einer Permeation in Richtung des niedrigeren Absolutdrucks. Zunächst soll hier ein übereinstimmender Absolutdruck in beiden Elektrodenräumen 12, 13 eingestellt werden.Although the membrane 14 The operating gases should be separated materially, molecular hydrogen passes through the membrane in the other electrode space. In the case of different H 2 partial pressures (p * H2 ) in the electrode spaces 12 . 13 this is diffusion-driven in the direction of the lower H 2 partial pressure. At different absolute pressures in the electrode spaces 12 . 13 There is a permeation-driven flow through the membrane on that side of the electrode with the lower absolute pressure. The mass flow of molecular hydrogen through the membrane is detected in the form of an electrical pumping current, which is required to counteract the diffusion and / or permeation driven material flow. For this purpose, the first electrode space 12 with hydrogen H 2 and the second electrode space 13 with an inert gas, here nitrogen N 2 , charged and continuously purged, the gases in terms Temperature, pressure and humidity are preconditioned. The conditions are kept constant. Due to the higher H 2 partial pressure in the first electrode space 12 a diffusion-driven substance transport takes place from the first into the second electrode space 13 , If in addition the absolute pressures in the electrode spaces 12 . 13 differ, it comes (in the case of a defective membrane) in addition to a permeation in the direction of the lower absolute pressure. First, here is a matching absolute pressure in both electrode spaces 12 . 13 be set.

Unter den genannten Bedingungen wird dem Brennstoffzellenstapel 10 über das Netzteil 40 ein Strom aufgeprägt, derart, dass die im zweiten Elektrodenraum 13 angeordnete katalytische Elektrode (Arbeitselektrode) gegenüber der im ersten Elektrodenraum 12 angeordneten und hier als Wasserstoffreferenzelektrode fungierenden Elektrode auf Anodenpotential geschaltet ist. Auf diese Weise wird Wasserstoff, der sich im zweiten Elektrodenraum 13 befindet, an der zweiten katalytischen Elektrode zu Protonen H+ oxidiert, die wiederum in den ersten Elektrodenraum 12 zurückwandern und dort an der ersten Elektrode wieder zu H2 reduziert werden. Der auf den H2-Stoffstrom zurückzuführende gemessene Pumpstrom IH2 setzt sich gemäß Gleichung 3 einerseits aus einem Diffusionsanteil DH2 sowie einem Permeationsanteil PH2 zusammen. Hierin bedeuten ∆p* die H2-Partialdruckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenraum 12, 13, ∆p die Absolutdruckdifferenz zwischen erstem und zweitem Elektrodenraum 12, 13 und dMem die Dicke der Membran 14. Sofern, wie in der vorliegenden Messung, der Absolutdruck im ersten und zweiten Elektrodenraum 12, 13 gleich sind, ist der Permeationsanteil gleich null.

Figure DE102015210836A1_0002
Under the conditions mentioned is the fuel cell stack 10 over the power supply 40 imprinted a current, such that in the second electrode space 13 arranged catalytic electrode (working electrode) with respect to the first electrode space 12 arranged and acting as a hydrogen reference electrode acting electrode is connected to the anode potential. In this way, hydrogen, which is located in the second electrode space 13 is located at the second catalytic electrode to protons H + oxidized, which in turn into the first electrode space 12 migrate back and reduced there to H 2 at the first electrode. The measured pumping current I H2 attributable to the H 2 substance flow is composed, according to Equation 3, on the one hand of a diffusion component D H2 and a permeation component P H2 . Here, Δp * means the H 2 partial pressure difference between the first and second electrode spaces 12 . 13 Δp is the absolute pressure difference between the first and second electrode spaces 12 . 13 and d mem the thickness of the membrane 14 , If, as in the present measurement, the absolute pressure in the first and second electrode space 12 . 13 are the same, the permeation is equal to zero.
Figure DE102015210836A1_0002

Allerdings enthält der gemessene Strom nicht nur Anteile, die auf den Pumpstrom IH2 zurückzuführen sind, sondern potentiell auch Anteile des Kurzschlussstroms Ishort, des kapazitiven Stroms Icdl, welcher zur Aufladung der Doppelschichtkapazität an den Elektroden notwendig ist, sowie einen Oxidationsstrom IAd, der zur Oxidation von an den Elektroden adsorbiertem Wasserstoff aufgewandt wird (siehe Gleichung 1). Um die letzteren beiden Größen auszuschließen, wird der Strom bevorzugt spannungsgeführt aufgeprägt, wobei ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf Usoll im Spannungsbereich von 0,4 bis 0,6 Volt pro Zelle ein Spannungsmaximum durchläuft. 5 zeigt exemplarisch einen solchen Verlauf der Sollspannung Usoll als Funktion der Zeit. Der Sollspannungsverlauf Usoll wird von der Diagnoseeinrichtung 44 an das Netzteil 40, das als Stellglied fungiert, übergeben. Regelgröße ist die mittlere Zellspannung U. Um den H2-Stoffstrom möglichst genau zu messen, wird der Brennstoffzellenstapel so mit der Spannung beaufschlagt, dass sich ein möglichst deutliches und möglichst schnell zu erreichendes Spannungsmaximum der einzelnen Diagnoseeinheiten ausbildet. Es stellt sich ein Messstrom IMess ein, dessen Verlauf in 5 ebenfalls dargestellt ist. Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise für jede Diagnoseeinheit zu dem Zeitpunkt, an dem deren Spannungsverlauf Ui sein Maximum erreicht hat (hier etwa zwischen 4 und 7 Sekunden) der Messstrom IMess bestimmt. Gemäß Gleichung 4, in der Ci die Doppelschichtkapazität an der zweiten katalytischen Elektrode bezeichnet, ist nämlich der kapazitive Strom Icdl,i gleich null, wenn die zeitliche Spannungsänderung null ist, also am Spannungsmaximum.

Figure DE102015210836A1_0003
However, the measured current contains not only components which are due to the pumping current I H2 , but also potential components of the short-circuit current I short , the capacitive current I cdl , which is necessary for charging the double-layer capacitance at the electrodes, and an oxidation current I Ad , which is used for the oxidation of hydrogen adsorbed on the electrodes (see equation 1). In order to exclude the latter two variables, the current is preferably impressed voltage, wherein a predetermined time waveform U soll in the voltage range of 0.4 to 0.6 volts per cell passes through a voltage maximum. 5 exemplarily shows such a curve of the target voltage V set as a function of time. The nominal voltage curve U is intended by the diagnostic device 44 to the power supply 40 , which acts as an actuator, passed. Controlled variable is the average cell voltage U. In order to measure the H 2 material flow as accurately as possible, the voltage is applied to the fuel cell stack in such a way that the voltage peak of the individual diagnostic units that is as clear as possible and achievable as quickly as possible is formed. It sets a measuring current I measurement , whose course in 5 is also shown. In the context of the invention, the measuring current I measurement is preferably determined for each diagnostic unit at the time at which its voltage curve U i has reached its maximum (in this case approximately between 4 and 7 seconds). Namely, according to Equation 4, in which C i denotes the double-layer capacitance at the second catalytic electrode, the capacitive current I cdl, i equals zero when the temporal voltage change is zero, that is, at the voltage maximum .
Figure DE102015210836A1_0003

Da ferner oberhalb einer Halbzellenspannung von etwa 0,4 Volt kein H-Adsorbat an der zweiten katalytischen Elektrode mehr vorliegt, ist der Oxidationsstrom IAd in dem gewählten Messbereich ebenfalls null. Indem somit der Messstrom zu einem Zeitpunkt erfasst wird, in dem die Spannungsänderung gleich null ist und die Spannung oberhalb von 0,4 Volt liegt, werden der kapazitive Strom Icdl sowie der oxidative Strom IAd gleich null, sodass sich der Messstrom IMess nach Gleichung 1 nur noch aus dem Kurzschlussstrom Ishort und dem Pumpstrom IH2 zusammensetzt. Somit muss der Messstrom nur noch um den Kurzschlussstrom Ishort,i korrigiert werden, um den Pumpstrom IH2,i zu erhalten. Dieser Kurzschlussstrom bestimmt sich gemäß Gleichung (2) aus den gespeicherten Werten Rshort,i sowie der Spannung gemessenen Spannung Ui.Further, since no H-adsorbate is present at the second catalytic electrode above a half cell voltage of about 0.4 volts, the oxidation current I Ad in the selected measurement range is also zero. Thus, by detecting the measurement current at a time when the voltage change is zero and the voltage is above 0.4 volts, the capacitive current I cdl and the oxidative current I Ad become zero, so that the measurement current I Meas Equation 1 is composed only of the short-circuit current I short and the pump current I H2 . Thus, the measurement current only has to be corrected by the short-circuit current I short, i in order to obtain the pump current I H2, i . This short-circuit current is determined according to equation (2) from the stored values R short, i and the voltage measured voltage U i .

In 5 sind neben dem Sollstromverlauf Usoll auch die Spannungen Ui der einzelnen Diagnoseeinheiten abgebildet. Es ist erkennbar, dass sich ihre Verläufe zum Teil signifikant sowohl untereinander als auch vom Mittelwert Usoll unterscheiden. Die gemessene Stromdichte IMess fällt in den Zeitbereichen der Spannungsmaxima monoton ab, sodass sich bei den jeweils vorliegenden Spannungsmaxima nennenswerte Unterschiede in der Stromdichte IMess und damit im Pumpstrom IH2 ergeben. In 5 In addition to the desired current profile U soll , the voltages U i of the individual diagnostic units are also shown. It can be seen that their courses are sometimes significantly different both from each other and from the mean U soll . The measured current density I measurement decreases monotonically in the time ranges of the voltage maxima, so that there are appreciable differences in the current density I Mess and thus in the pump current I H2 at the voltage maxima present in each case.

Da die vorstehend geschilderte Messung des Pumpstroms IH2 bei gleichen Absolutdrücken in den beiden Elektrodenräumen 12, 13 durchgeführt wurde, entspricht der erfasste Pumpstrom ausschließlich dem diffusionsgetriebenen H2-Stoffstrom. Um auch den Permeationsanteil zu bestimmen, kann die geschilderte Messung unter Bedingungen wiederholt werden, in denen der Absolutdruck auf Seiten der H2-Referenzelektrode in dem ersten Elektrodenraum 12 größer ist als der Absolutdruck im zweiten Elektrodenraum 13. Der auf diesen Weise erfasste Pumpstrom enthält somit Anteile des Diffusionsstroms und Anteile des Permeationsstroms. Durch Abzug des zuvor bestimmten Diffusionsanteils kann somit der Permeationsanteil bestimmt werden. Ist dieser ungleich null, kann auf eine Perforation (Lochfraß) der Membran geschlossen werden. Since the above-described measurement of the pumping current I H2 at the same absolute pressures in the two electrode spaces 12 . 13 was carried out, the detected pumping current corresponds exclusively to the diffusion-driven H 2 -stoffstrom. In order to determine also the permeation rate, the described measurement can be repeated under conditions in which the absolute pressure on the side of the H 2 reference electrode in the first electrode space 12 is greater than the absolute pressure in the second electrode space 13 , The pumping current detected in this way thus contains portions of the diffusion flow and portions of the permeation flow. By deducting the previously determined diffusion fraction, the permeation component can thus be determined. If this is not equal to zero, a perforation (pitting) of the membrane can be concluded.

3. Messung des Doppelschichtkapazität (Ci)3. Measurement of the double-layer capacitance (C i )

Die Doppelschichtkapazität Ci ist ein Maß für die gesamte freie Oberfläche der katalytischen Elektroden, umfassend das leitfähige Trägermaterial sowie das darauf partikulär vorliegende katalytische Material (typischerweise Platin). The bilayer capacitance C i is a measure of the total free surface area of the catalytic electrodes comprising the conductive support material as well as the particulate catalytic material (typically platinum) present thereon.

Die Messung erfolgt unter den gleichen Messbedingungen am Brennstoffzellenstapel 10 wie vorstehend unter 2. geschildert, das heißt unter kontinuierlicher Beaufschlagung des ersten Elektrodenraums mit Wasserstoff und des zweiten Elektrodenraums 13 mit Stickstoff und bei konstanter Temperatur, Feuchte und Druck der Betriebsgase. Für die Ermittlung der Doppelschichtkapazität wird der Brennstoffzellenstapel 10 mit einer konstanten, niedrigen Stromdichte, beispielsweise in der Größenordnung von 0 bis 30 mA/cm2 Zellmembranfläche, beaufschlagt. Der entsprechende Stromsollverlauf Isoll ist in 6 dargestellt. Es stellen sich die abgebildeten Spannungsverläufe UMess,i der Diagnoseeinheiten beziehungsweise deren Mittelwert UMess ein. Bis zu einem Bereich von circa 0,3 bis 0,4 Volt pro Zelle steigen die verschiedenen Spannungen nahezu linear an. Jenseits dieses Bereichs steigen die Spannungen ebenfalls nahezu linear, jedoch mit einer wesentlich größeren Steigung. Im gesamten Messbereich findet eine elektrische Aufladung der katalytischen Elektroden statt, das heißt, es fließt kapazitiver Strom Icdl. In dem Spannungsbereich bis zirka. 0,4 Volt pro Zelle erfolgt zudem eine Oxidation des am Katalysatoredelmetall der katalytischen Elektrode zuvor adsorbierten Wasserstoffs. Aufgrund des für die Oxidation benötigten, zusätzlichen elektrischen Stroms steigt die Spannung zunächst mit der geringeren Steigung an. Jenseits von 0,3 bis 0,4 Volt pro Zelle ist der adsorbierte Wasserstoff vollständig oxidiert, sodass es zu der größeren Steigung kommt. Jenseits von 0,6 Volt pro Zelle beginnt allmählich die Bildung von Oxiden des Katalysatormaterials, sodass die Messung an dieser Stellung abgebrochen wird, um die Zellen zu schützen. Im Bereich von 0,4 bis 0,6 Volt pro Zelle ist somit der oxidative Strom Iad,i gleich null. In diesem Bereich wird die Spannungsänderung, das heißt der maximale zeitliche Spannungsgradient (dU/dt)max gemessen. Der konstant aufgeprägte Strom Isoll (= IMess) wird nun für jede Diagnoseeinheit individuell um den zuvor bestimmten Pumpstrom IH2,i und den Kurzschlussstrom Ishort,i korrigiert und durch den maximalen Spannungsgradienten (dU/dt)max geteilt, um gemäß Gleichung 5 die Doppelschichtkapazität Ci zu erhalten.

Figure DE102015210836A1_0004
The measurement takes place under the same measuring conditions on the fuel cell stack 10 as described above under 2., that is, under continuous loading of the first electrode space with hydrogen and the second electrode space 13 with nitrogen and at constant temperature, humidity and pressure of the operating gases. For the determination of the double-layer capacity of the fuel cell stack 10 with a constant, low current density, for example of the order of 0 to 30 mA / cm 2 cell membrane surface, applied. The corresponding current nominal course I soll is in 6 shown. The illustrated voltage profiles U Mess, i of the diagnostic units or their mean value U Mess appear . Up to a range of about 0.3 to 0.4 volts per cell, the various voltages increase almost linearly. Beyond this range, the stresses also increase almost linearly, but with a much greater slope. In the entire measuring range, an electrical charge of the catalytic electrodes takes place, that is, it flows capacitive current I cdl . In the voltage range up to approx. In addition, oxidation of the hydrogen previously adsorbed on the catalyst noble metal of the catalytic electrode is effected at 0.4 volt per cell. Due to the additional electrical current required for the oxidation, the voltage initially increases with the lower slope. Beyond 0.3 to 0.4 volts per cell, the adsorbed hydrogen is completely oxidized, resulting in the larger slope. Beyond 0.6 volts per cell, the formation of oxides of the catalyst material gradually begins, so that the measurement is stopped at this position to protect the cells. In the range of 0.4 to 0.6 volts per cell thus the oxidative current I ad, i is equal to zero. In this range, the voltage change, that is, the maximum temporal voltage gradient (dU / dt) max is measured. The constant impressed current I soll (= I measurement ) is now individually corrected for each diagnostic unit by the previously determined pumping current I H2, i and the short-circuit current I short, i and divided by the maximum voltage gradient (dU / dt) max , according to equation 5 to obtain the double-layer capacitance C i .
Figure DE102015210836A1_0004

4. Messung der aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA)4. Measurement of active catalyst surface area (ECSA)

Die Kenntnis der ECSA gibt unmittelbar Auskunft über die für die elektrochemischen Prozesse in der Brennstoffzelle zur Verfügung stehende aktive Oberfläche des Katalysatormaterials (ECSA). Die ECSA wird einerseits durch Verlust/Migration des katalytischen Materials sowie andererseits durch Agglomeration der Katalysatorpartikel mit zunehmender Lebensdauer der Brennstoffzelle reduziert. The knowledge of the ECSA gives immediate information about the active surface of the catalyst material (ECSA) available for the electrochemical processes in the fuel cell. The ECSA is reduced on the one hand by loss / migration of the catalytic material and on the other hand by agglomeration of the catalyst particles with increasing fuel cell life.

Die ECSA kann über die Erfassung der an den für Brennstoffzellen typischen Edelmetallkatalysatoren adsorbierten Wasserstoffmenge ermittelt werden, die wiederum durch die für deren Oxidation aufzuwendende Ladungsmenge, also das Integral des Oxidationsstroms Iad, bestimmt wird. In einem bestimmten Halbzellenspannungsbereich (0 bis 0,4 Volt pro Zelle) liegt nämlich an den Edelmetallkatalysatoren adsorbierter Wasserstoff vor, wobei die Menge des Adsorbats mit steigender Halbzellspannung abnimmt. Durch das Anlegen eines anodischen Stroms an die Arbeitselektrode (zweite Elektrode im zweiten Elektrodenraum 13) wird der adsorbierte Wasserstoff oxidiert. Über die Integration des im relevanten Potentialbereich geflossenen Stroms lässt sich die geflossene Ladung berechnen und mit der flächenspezifischen Ladungskonstante in Höhe von 210 µC/cm2 Platin auf die aktive Oberfläche schließen. Es kann somit die zur Bestimmung der Doppelschichtkapazität beschriebene Messung verwendet werden. Insbesondere wird ausgehend von einem stationären Zustand, bei dem eine vollständige Katalysatorbedeckung mit H2-Adsorbat vorliegt, ein konstanter Strom entsprechend einer Stromdichte von 0 bis 30 mA/cm2 Membranfläche aufgeprägt (siehe 6). In einem vorbestimmten Halbzellspannungsbereich, in dem die Oxidation von adsorbiertem Wasserstoff erfolgt, insbesondere von 0 bis 0,4 Volt pro Zelle, wird die insgesamt während der Messung in diesem Spannungsbereich geflossene Ladung – korrigiert um den zuvor bestimmten kapazitiven Strom Icdl,i, den Pumpstrom IH2,i und den Kurzschlussstrom Ishort,i – integriert. Gemäß nachfolgender Gleichung 6 wird dieses Integral durch die für Wasserstoff spezifische Ladungskonstante von 210 µC/cm2 dividiert, um die aktive Katalysatoroberfläche pro geometrischer Oberfläche (ECSA, auch Rauhigkeitsfaktor genannt) zu ermitteln.

Figure DE102015210836A1_0005
The ECSA can be determined by recording the amount of hydrogen adsorbed on the noble metal catalysts typical for fuel cells, which in turn is determined by the amount of charge required for their oxidation, ie the integral of the oxidation current I ad . Namely, in a certain half-cell voltage range (0 to 0.4 volts per cell) hydrogen adsorbed on the noble metal catalysts is present, the amount of adsorbate decreasing with increasing half-cell voltage. By applying an anodic current to the working electrode (second electrode in the second electrode space 13 ) the adsorbed hydrogen is oxidized. By integrating the current that has flowed in the relevant potential range, the flow that has flowed can be calculated and the surface area-specific charge constant in the amount of 210 μC / cm 2 platinum on the active surface. Thus, the measurement described for determining the double-layer capacitance can be used. In particular, starting from a stationary state in which a complete catalyst coverage with H 2 adsorbate is present, a constant current corresponding to a current density of 0 to 30 mA / cm 2 membrane area is impressed (see 6 ). In a predetermined Halbzellspannungsbereich in which the oxidation of adsorbed hydrogen takes place, in particular from 0 to 0.4 volts per cell, the total charge flowed in this voltage range during the measurement is corrected - corrected by the previously determined capacitive current I cdl, i , the pump current I H2, i and the short-circuit current I short, i - integrated. According to equation 6 below, this integral is divided by the hydrogen-specific charge constant of 210 μC / cm 2 in order to determine the active catalyst surface per geometric surface area (ECSA, also known as the roughness factor).
Figure DE102015210836A1_0005

5. Bestimmung der Protonenleitfähigkeit des Ionomers der Polymerelektrolytmembran und der katalytischen Elektroden5. Determination of proton conductivity of the ionomer of the polymer electrolyte membrane and the catalytic electrodes

Für diese Messung wird wiederum ein Aufbau gemäß einer der 2 bis 4 verwendet, wobei das Netzteil 40 durch eine Last 45 ersetzt ist oder eine zusätzliche Lastfunktion aufweist. Die zu untersuchenden Diagnoseeinheiten werden weiterhin kontinuierlich mit vorkonditionierten Gasen, insbesondere H2 und N2, gespült. Dabei wird dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Strom aufgeprägt, der einen Wechselstromanteil mit variierender Frequenz hat. Die Spannungsantwort Ui der Diagnoseeinheiten auf diese Stromanregung wird bezüglich ihrer Amplitude und Phase gemessen. For this measurement, in turn, a structure according to one of 2 to 4 used, with the power supply 40 through a load 45 is replaced or has an additional load function. The diagnostic units to be examined continue to be continuously purged with preconditioned gases, in particular H 2 and N 2 . This is the fuel cell stack 10 imprinted a current having an alternating current component with varying frequency. The voltage response U i of the diagnostic units to this current excitation is measured in terms of their amplitude and phase.

Die Protonenleitfähigkeit der Membran kann direkt im hochfrequenten Teil der Impedanzantwort der einzelnen Diagnoseeinheiten abgelesen werden und zwar dort, wo der Imaginäranteil der Antwort, das heißt deren Phasenverschiebung, null wird. The proton conductivity of the membrane can be read directly in the high-frequency part of the impedance response of the individual diagnostic units, namely where the imaginary part of the response, that is to say the phase shift thereof, becomes zero.

Die Leitfähigkeit der Elektrodenionomeren wird üblicherweise über eine modellbasierte Auswertung, zum Beispiel einem Ersatzschaltbild, bestimmt. Darin gehen üblicherweise zumindest der elektrische Kurzschlusswiderstand Rshort,i sowie die Doppelschichtkapazität Ci ein. In herkömmlichen Verfahren müssen diese beiden Größen modelliert beziehungsweise gefittet werden. Durch die Tatsache, dass beide besagten Größen im Rahmen des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens bereits anderweitig bestimmt wurden, können diese im Modell für die Bestimmung der Leitfähigkeit der Elektrodenionomere vorgegeben werden, sodass ihre Modellierung wegfallen kann und die Fit-Qualität der verbleibenden freien Parameter (im Wesentlichen ist dies die gesuchte Elektrodenleitfähigkeit) verbessert werden kann. The conductivity of the electrode ionomers is usually determined by a model-based evaluation, for example an equivalent circuit diagram. This usually includes at least the electrical short-circuit resistance R short, i and the double-layer capacitance C i . In conventional methods, these two variables must be modeled or fit. Due to the fact that both said quantities have already been determined in the context of the diagnostic method according to the invention, these can be specified in the model for determining the conductivity of the electrodeionomers, so that their modeling can be omitted and the fit quality of the remaining free parameters (essentially this the sought electrode conductivity) can be improved.

Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise ermöglichst somit in einer einzigen Messanordnung die Messung des elektrischen Kurzschlussstroms, die Messung des Wasserstoff-Stoffstroms im Wege der Diffusion mit oder ohne Permeation, die Ermittlung der Doppelschichtkapazität und der ECSA sowie der Protonenleitfähigkeit der Membran und Elektrodenionomere. Die Messungen erfolgen in situ, also am vollständigen Brennstoffzellenstapel 10, jedoch im Wege einer Offboard-Diagnose, das heißt unter Verwendung einer Diagnoseanordnung, wie sie beispielsweise in den 2 bis 4 dargestellt ist. The procedure described above thus makes it possible, in a single measuring arrangement, to measure the electric short-circuit current, to measure the hydrogen mass flow by diffusion with or without permeation, to determine the double-layer capacitance and the ECSA and to proton conductivity of the membrane and electrode ionomers. The measurements are done in situ, ie on the complete fuel cell stack 10 However, by way of an off-board diagnosis, that is, using a diagnostic device, as for example in the 2 to 4 is shown.

Grundsätzlich besteht jedoch auch die vorteilhafte Option, das Diagnoseverfahren insbesondere mit sämtlichen der beschriebenen Einzelmessungen im Rahmen einer Onboard-Diagnose, das heißt im normalen Umfeld der Brennstoffzelle, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, durchzuführen. Da die beschriebenen Vermessungen die Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels 10 durch eine externe Strom-/Spannungsquelle erfordern, kann diese anstelle des Netzteils 40/Lastteils 45 der 2 bis 4 durch einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Hochvoltbatterie oder einen Kondensator, sowie einem zwischengeschalteten DC/DC-Wandler erfolgen. Ferner erfordert die Mehrzahl der Messungen eine mit H2 versorgte Referenzelektrode sowie eine mit einem Inertgas (zum Beispiel N2-Atmosphäre) beaufschlagte Arbeitselektrode. Unter diesen Voraussetzungen kann der Brennstoffzellenstapel 10 keine Leistung liefern, weswegen die Messungen nur in geeigneten Betriebsmodi durchgeführt werden, in denen keine Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel vorliegt, etwa nach dem Entladen des Brennstoffzellenstapels im Standby-Modus einer Start/Stopp-Funktionalität oder nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 100. In beiden Fällen erfolgt eine Unterbrechung der Luftzufuhr über die Kathodenluftversorgung 30 (siehe 1), sodass der in den Kathodenräumen 13 vorliegende Luftsauerstoff durch die Brennstoffzellenreaktion verbraucht wird und schließlich die Kathodenräume 13 im Wesentlichen mit Stickstoff befüllt sind. Die Diagnose kann am gesamten Stapel unter Erhalt von gemittelten Einzelzellenwerten erfolgen oder, sofern der Brennstoffzellenstapel 10 über eine entsprechende Einzelzellerfassung verfügt, unter Erhalt von Daten zu den einzelnen Diagnoseuntereinheiten, die eine oder mehrere Einzelzellen 11 als Zellpakete zusammenfassen. In principle, however, there is also the advantageous option of carrying out the diagnostic method in particular with all of the individual measurements described in the context of an on-board diagnosis, that is to say in the normal environment of the fuel cell, in particular in a motor vehicle. Since the measurements described the admission of the fuel cell stack 10 through an external power source, this may be in place of the power supply 40 / Load part 45 of the 2 to 4 by an electrical energy storage, in particular a high-voltage battery or a capacitor, as well as an intermediate DC / DC converter. Furthermore, the majority of the measurements requires a reference electrode supplied with H 2 and a working electrode acted upon by an inert gas (for example N 2 atmosphere). Under these conditions, the fuel cell stack can 10 provide no power, so the measurements are performed only in suitable operating modes in which there is no power requirement to the fuel cell stack, such as after discharging the fuel cell stack in standby mode of start / stop functionality or after switching off the fuel cell system 100 , In both cases, there is an interruption of the air supply via the cathode air supply 30 (please refer 1 ), so that in the cathode compartments 13 present atmospheric oxygen is consumed by the fuel cell reaction and finally the cathode compartments 13 are substantially filled with nitrogen. The diagnosis can be made on the entire stack to obtain averaged single cell values or, if the fuel cell stack 10 has a corresponding single cell detection, receiving data on the individual diagnostic subunits, the one or more individual cells 11 as cell packets.

Somit wird die erste katalytische Elektrode 12, welche im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10 als Anode arbeitet, als Wasserstoffreferenzelektrode geschaltet und die zweite katalytische Elektrode des Kathodenraums 13 als teilweise anodisch geschaltete Arbeitselektrode betrieben. Thus, the first catalytic electrode becomes 12 , which in normal operation of the fuel cell stack 10 operates as an anode, connected as a hydrogen reference electrode and the second catalytic electrode of the cathode compartment 13 operated as a partially anodically connected working electrode.

Ähnlich wie die zuvor beschriebene Offboard-Diagnostik zielt die hier beschriebene Onboard-Diagnostik auf die Erfassung folgender Parameter ab:

  • • Messung parasitärer Ströme Ipara über die Membran, welche sich aus dem Wasserstoff-Stoffstrom über die Membran (Diffusion und gegebenenfalls Permeation) IH2 sowie den elektrischen Kurzschlussstrom Ishort zusammensetzt (Ipara = Ishort + IH2)
  • • Messung der Kapazität der Doppelschichten in den Elektroden Ci
  • • Messung der aktiven Katalysatoroberfläche ECSA.
Similar to the offboard diagnostics described above, the onboard diagnostics described here are aimed at detecting the following parameters:
  • Measurement of parasitic currents I para across the membrane, which is composed of the hydrogen mass flow via the membrane (diffusion and optionally permeation) I H2 and the electrical short-circuit current I short (I para = I short + I H2 )
  • Measurement of the capacitance of the bilayers in the electrodes C i
  • • Measurement of the active catalyst surface ECSA.

Ein beispielhafter Koordinationsalgorithmus für die Bestimmung dieser Werte ist in 7 dargestellt. An exemplary coordination algorithm for determining these values is in 7 shown.

Hier bezeichnet Block 310 den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 über die Anoden- und Kathodengasversorgung 20, 30 mit Wasserstoff beziehungsweise Luft versorgt wird und eine elektrische Leistung erzeugt.Here is block 310 the normal operation of the fuel cell system in which the fuel cell stack 10 via the anode and cathode gas supply 20 . 30 is supplied with hydrogen or air and generates an electric power.

Block 320 bezeichnet das Diagnoseverfahren zur Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels außerhalb des Normalbetriebs 310. block 320 denotes the diagnostic method for determining the state of the fuel cell stack outside normal operation 310 ,

In dem Koordinationsblock 321 erfolgt die Bestimmung und Koordination notwendiger Messungen. Insbesondere enthält Block 321 die notwendige Logik, um festzustellen, welcher Parameter am dringendsten bestimmt werden muss. Der Block 321 bestimmt ferner, wie diese Parameter am sinnvollsten bestimmt werden können. Dies betrifft insbesondere die Aufschlüsselung der parasitären Ströme des Pumpstroms und des Kurzschlussstroms. Ferner enthält der Koordinationsblock 321 eine Logik, um bei Leistungsanforderung des Fahrzeugs schnell wieder in den Normalbetrieb 310 zurückzukehren. In the coordination block 321 the determination and coordination of necessary measurements takes place. In particular, contains block 321 the logic needed to determine which parameter most needs to be determined. The block 321 also determines how these parameters can best be determined. This applies in particular to the breakdown of the parasitic currents of the pumping current and the short-circuit current. Furthermore, the coordination block contains 321 a logic to quickly return to normal operation at power requirement of the vehicle 310 to return.

Der Block 322 dient der Herstellung der Messbedingungen. Um die einzelnen Messungen durchführen zu können, muss einerseits der Brennstoffzellenstapel 10 entladen werden, das heißt die im Normalbetrieb in den Einzelzellen vorliegenden elektrochemischen Potentiale abgebaut werden. Ferner müssen möglichst definierte Betriebs- beziehungsweise Messbedingungen eingestellt werden. Insbesondere muss die erste katalytische Elektrode (die Anode im Anodenraum 12) mit Wasserstoff versorgt werden, um als Referenzelektrode zu dienen. Dies ist über die übliche Anodengasversorgung 20 darstellbar. Ferner muss die zweite katalytische Elektrode (die Kathode) als insbesondere anodisch geschaltete Arbeitselektrode mit einer Inertgasatmosphäre beaufschlagt werden. Dies ist nach Abschalten der Luftzufuhr über die Kathodengasversorgung 30 möglich, da dann der in den Kathodenräumen 13 vorhandene Restsauerstoff im Wege der Brennstoffzellenreaktion verbraucht wird. Somit kann eine im Wesentlichen aus Stickstoff bestehende Atmosphäre in den Kathodenräumen 13 erhalten werden. Des Weiteren kann der Block 322 die Einstellung vorbestimmter Temperaturen, Feuchtigkeiten, Gasmassenströme sowie Absolut- und Partialdrücke in den Elektrodenräumen 12, 13 einstellen. The block 322 serves to establish the measuring conditions. In order to carry out the individual measurements, on the one hand, the fuel cell stack 10 be discharged, that is, which are degraded in normal operation in the individual cells present electrochemical potentials. Furthermore, as defined operating or measuring conditions must be set. In particular, the first catalytic electrode (the anode in the anode space 12 ) are supplied with hydrogen to serve as a reference electrode. This is about the usual anode gas supply 20 represented. Furthermore, the second catalytic electrode (the cathode) must be acted upon as an anodically switched working electrode in particular with an inert gas atmosphere. This is after switching off the air supply via the cathode gas supply 30 possible, because then in the cathode rooms 13 existing residual oxygen is consumed by means of the fuel cell reaction. Thus, an essentially nitrogen atmosphere can be found in the cathode spaces 13 to be obtained. Furthermore, the block 322 the setting of predetermined temperatures, humidities, gas mass flows and absolute and partial pressures in the electrode spaces 12 . 13 to adjust.

Der Block 323 dient der Messung des parasitären Stroms Ipara, der sich gemäß Gleichung 7 aus dem Wasserstoffpumpstrom IH2 und dem Kurzschlussstrom Ishort zusammensetzt. Die vorliegende Onboard-Diagnose weicht von der Offboard-Diagnose insofern ab, als der Kurzschlussstrom im Onboard-Modus nicht oder nicht immer ermittelt werden kann und die Messungen somit nicht unmittelbar um den elektrischen Kurzschlussstrom korrigiert werden können. Aus diesem Grund werden zunächst nur die parasitären Ströme zusammengenommen gemessen. Hierzu wird, wie zuvor unter Punkt 2 beschrieben und anhand von 5 dargestellt, die zweite katalytische Elektrode (Kathode im Normalbetrieb) gegenüber der Referenzelektrode auf Anodenpotential geschaltet, wobei galvanostatisch oder potentiostatisch ein Spannungsverlauf Usoll mit schnellem und definiertem Maximum im Bereich von 0,4 bis insbesondere 0,6 Volt pro Einzelzelle beaufschlagt wird und der Strom zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums gemessen wird. Der hier erfasste Messwert Ipara wird zwischengespeichert. Ipara = Ishort + IH2 (7) The block 323 is used to measure the parasitic current I para , which is composed according to equation 7 from the hydrogen pump current I H2 and the short-circuit current I short . The present onboard diagnosis differs from offboard diagnostics in that the short circuit current in onboard mode can not or can not always be determined and therefore the measurements can not be corrected directly by the electrical short circuit current. For this reason, initially only the parasitic currents are measured together. For this purpose, as described above under point 2 and based on 5 shown, the second catalytic electrode (cathode in normal operation) compared to the reference electrode connected to anode potential, wherein galvanostatic or potentiostatic a voltage curve U soll is applied with a fast and defined maximum in the range of 0.4 to 0.6 volts per individual cell and the current is measured at the time of the voltage maximum. The measured value I para recorded here is buffered. I para = I short + I H2 (7)

Im Block 324 erfolgt die Messung der Doppelschichtkapazität C (in 7 mit CDL abgekürzt) und der aktiven Katalysatoroberfläche ECSA. Dies erfolgt wiederum wie unter Punkt 3 und 4 beschrieben unter Beaufschlagung der Arbeitselektrode mit einer vorbestimmten geringen Sollstromdichte Isoll und der Erfassung des maximalen Spannungsgradienten (dU/dt)max beziehungsweise durch Integration der Stromdichte im Bereich von 0 bis 0,4 Volt pro Zelle. Die entsprechenden Werte werden gemäß nachfolgenden Gleichungen 8 und 9 unter Korrektur des parasitären Stroms berechnet und zwischengespeichert.

Figure DE102015210836A1_0006
In the block 324 the measurement of the double-layer capacitance C (in 7 abbreviated to CDL) and the active catalyst surface ECSA. This again takes place as described under points 3 and 4 by subjecting the working electrode to a predetermined low nominal current density I soll and detecting the maximum voltage gradient (dU / dt) max or by integrating the current density in the region from 0 to 0.4 volts per cell. The corresponding values are calculated according to the following equations 8 and 9 with correction of the parasitic current and buffered.
Figure DE102015210836A1_0006

Ein verlässlicher Wert für den Kurzschlussstrom Ishort kann aus verschiedenen Quellen stammen. Beispielsweise kann er im Rahmen einer Offboard-Werkstattdiagnose wie unter Punkt 1 beschrieben ermittelt werden. Denkbar ist jedoch auch die Messung des Kurzschlussstroms in einem Nichtbetriebszustand des Brennstoffzellenstapels, in dem beide Elektrodenräume mit gleichen Betriebsgasen gefüllt sind, zum Beispiel vor einem sogenannten Luft-Luft-Start nach längerem Abschalten des Stapels. Ebenfalls ist möglich, mehrere Messungen des parasitären Stroms bei verschiedenen Betriebsbedingungen durchzuführen und zu kombinieren. Werden die Bedingungen gezielt variiert, so kann über die Variation der gemessenen Werte für den parasitären Strom Ipara auf den Kurzschlussstrom Ishort geschlossen werden, da aus theoretischen Betrachtungen bekannt ist, wie der Wasserstoff-Stoffstrom auf Veränderungen reagiert. A reliable value for the short-circuit current I short can come from different sources. For example, it can be determined as part of an offboard workshop diagnosis as described under point 1. However, it is also conceivable to measure the short-circuit current in a non-operating state of the fuel cell stack, in which both electrode spaces are filled with the same operating gases, for example before a so-called air-air start after a longer shutdown of the stack. It is also possible to carry out and combine several measurements of the parasitic current under different operating conditions. If the conditions are deliberately varied, it is possible to deduce the short-circuit current I short via the variation of the measured values for the parasitic current I para , since it is known from theoretical considerations how the hydrogen stream reacts to changes.

Sobald nun ein verlässlicher Wert für den Kurzschlussstrom vorliegt, können die gewünschten Größen im Block 325 final berechnet werden. Hierzu werden die in den Blöcken 323 und 324 zwischengespeicherten Messwerte über den Koordinationsblock 321 an den Block 325 übermittelt, welcher die Endberechnung und Speicherung durchführt. As soon as a reliable value for the short-circuit current is present, the desired quantities can be displayed in the block 325 finally be calculated. For this, those in the blocks 323 and 324 cached measured values via the coordination block 321 to the block 325 which performs the final calculation and storage.

Das zuvor beschriebene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass sämtliche Messungen unabhängig voneinander durchgeführt werden können, obwohl die Berechnung der Endwerte aufeinander aufbaut. Dies ermöglicht eine intelligente Strategie, um die Messungen einzelner Größen nach Bedarf oder Möglichkeit durchzuführen, auch wenn Messungen anderer Größen noch nicht möglich sind. Somit kann ein Brennstoffzellenstapel auch außerhalb eines Werkstattaufenthalts umfassend und mit einer bisher nicht möglichen Genauigkeit diagnostiziert werden. The method described above is characterized in that all measurements can be carried out independently of each other, although the calculation of the final values builds on each other. This allows an intelligent strategy to perform the measurements of individual quantities as needed or possible, even though measurements of other sizes are not yet possible. Thus, a fuel cell stack can also be diagnosed outside a workshop stay comprehensively and with a hitherto impossible accuracy.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellensystem  The fuel cell system
1010
Brennstoffzellenstapel  fuel cell stack
1111
Einzelzelle single cell
1212
erster Elektrodenraum / Anodenraum first electrode space / anode space
1313
Zweiter Elektrodenraum / Kathodenraum Second electrode space / cathode space
1414
Polymerelektrolytmembran Polymer electrolyte membrane
1515
Bipolarplatte  bipolar
2020
Anodenversorgung anode supply
2121
Anodenversorgungspfad Anode supply path
2222
Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
2323
Brennstofftank fuel tank
2424
Stellmittel actuating means
2525
Brennstoffrezirkulationsleitung Brennstoffrezirkulationsleitung
2626
Stellmittel  actuating means
3030
Kathodenversorgung cathode supply
3131
Kathodenversorgungspfad Cathode supply path
3232
Kathodenabgaspfad Cathode exhaust path
3333
Verdichter compressor
3434
Elektromotor  electric motor
3535
Leistungselektronik power electronics
3636
Turbine turbine
3737
Wastegate-Leitung Waste gate line
3838
Stellmittel actuating means
3939
Befeuchtermodul humidifier
200200
Diagnoseanordnung diagnostic system
4040
Netzteil power adapter
4141
Lastkabel  Lastkabel
42 42
Stromsensor current sensor
4343
Spannungssensor  voltage sensor
4444
Diagnoseeinrichtung diagnostic device
4545
Last load
4646
Datenerfassungseinrichtung Data acquisition device
4747
Steuereinrichtung  control device
4848
Relais relay
4949
Sollwertgeber Setpoint generator
300300
Diagnosealgorithmus diagnostic algorithm
310310
Normalbetriebsmodus Normal operating mode
320320
Diagnosemodus diagnostic mode
321321
Koordinationsblock coordination block
322322
Block zur Herstellung der Messbedingungen Block for the production of measuring conditions
323323
Block zur Messung der parasitären Ströme  Block for measuring the parasitic currents
324324
Block zur Messung der Doppelschichtkapazität und aktiven Katalysatorfläche Block for measuring the double-layer capacity and active catalyst area
325325
Block zu Berechnung der finalen Parameter Block to calculate the final parameters
IMess,i I mess, i
Messstrom der i-ten Diagnoseeinheit Measuring current of the i-th diagnostic unit
Ishort,i I short, i
Kurzschlussstrom der i-ten Diagnoseeinheit Short-circuit current of the i-th diagnostic unit
IH2,i I H2, i
Pumpstrom der i-ten Diagnoseeinheit Pumping current of the i-th diagnostic unit
Icdl,i I cdl, i
kapazitiver Strom der i-ten Diagnoseeinheit Capacitive current of the i-th diagnostic unit
IAd,i I Ad, i
Adsorptionsstrom der i-ten Diagnoseeinheit Adsorption current of the i-th diagnostic unit
Ipara I para
parasitärer Strom parasitic current
Usoll U shall
Sollspannungsverlauf Target voltage curve
UMess U Mess
Messspannung measuring voltage
Ui U i
gemessene Spannung der i-ten Diagnoseeinheit measured voltage of the i-th diagnostic unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • H. Imanashi, K. Manabe, T. Ogawa & Y. Nonobe: Developement of Electric Power Contraol usig the Capacitance Characteristics oft he Fuel Cell, SAE International Journal of Engines 4(1), 2011, 1879–1887 [0005] H. Imanashi, K. Manabe, T. Ogawa, & Y. Nonobe: Developement of Electric Power Contraol and the Capacitance Characteristics often he Fuel Cell, SAE International Journal of Engines 4 (1), 2011, 1879-1887. [0005]
  • E. Brightman, G. Hinds & R. O’Malley: In situ measurements of active catalyst surface area in fuel cell stacks, Journal of Power Sources 242, 2013, 244–254 [0006] E. Brightman, G. Hinds & R. O'Malley: In Situ Measurements of Active Catalyst Surface Area in Fuel Cell Stacks, Journal of Power Sources 242, 2013, 244-254 [0006]

Claims (12)

Diagnoseverfahren zur Ermittlung eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10), der eine Mehrzahl von Einzelzellen (11) aufweist, jeweils umfassend eine in einem ersten Elektrodenraum (12) angeordnete erste katalytische Elektrode und eine in einem zweiten Elektrodenraum (13) angeordnete zweite katalytische Elektrode, die durch eine ionenleitfähige Membran (14) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsermittlung eine Ermittlung eines diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstroms von molekularem Wasserstoff durch die Membran (14) oder einer hierzu äquivalenten Größe umfasst.Diagnostic method for determining a state of a fuel cell stack ( 10 ) containing a plurality of single cells ( 11 ), each comprising one in a first electrode space ( 12 ) and a first electrode in a second electrode space ( 13 ) arranged second catalytic electrode through an ion-conductive membrane ( 14 ) are separated from each other, characterized in that the state determination is a determination of a diffusion and / or permeation-driven stream of molecular hydrogen through the membrane ( 14 ) or a size equivalent thereto. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Stoffstroms von molekularem Wasserstoff die Erfassung eines elektrischen Pumpstroms (IH2) umfasst, welcher erforderlich ist, um dem diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stoffstrom von molekularem Wasserstoff durch die Membran (14) entgegenzuwirken.A diagnostic method according to claim 1, characterized in that the determination of the molecular stream of molecular hydrogen comprises the detection of an electric pumping current (I H2 ), which is required to the diffusion and / or permeation-driven flow of molecular hydrogen through the membrane ( 14 ) counteract. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Stoffstroms der erste Elektrodenraum (12) mit Wasserstoff und der zweite Elektrodenraum (13) mit einem Inertgas beaufschlagt ist oder wird und dem Brennstoffzellenstapel (10) ein Strom aufgeprägt wird derart, dass die zweite katalytische Elektrode auf Anodenpotential geschaltet ist, sodass im zweiten Elektrodenraum (13) vorliegender Wasserstoff oxidiert und in den ersten Elektrodenraum (12) transportiert wird, und der hierfür erforderliche elektrische Pumpstrom (IH2) gemessen wird.Diagnostic method according to one of the preceding claims, characterized in that for determining the material flow of the first electrode space ( 12 ) with hydrogen and the second electrode space ( 13 ) is or is subjected to an inert gas and the fuel cell stack ( 10 ) is impressed such that the second catalytic electrode is connected to anode potential, so that in the second electrode space ( 13 ) is oxidized and into the first electrode space ( 12 ), and the required electrical pumping current (I H2 ) is measured. Diagnoseverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom derart aufgeprägt wird, dass ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf (Usoll) für die Stapelspannung ein Spannungsmaximum durchläuft und der Strom zum Zeitpunkt des Spannungsmaximums gemessen wird.Diagnostic method according to claim 3, characterized in that the current is impressed such that a predetermined temporal voltage curve (U setpoint ) for the stack voltage passes through a voltage maximum and the current is measured at the time of the voltage maximum. Diagnoseverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Strom erfasst wird, wenn individuelle Zellspannungen (Ui) einzelner, jeweils eine oder mehrere Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels (10) umfassende Diagnoseeinheiten ein Spannungsmaximum durchlaufen. Diagnostic method according to claim 4, characterized in that in each case the current is detected when individual cell voltages (U i ) of individual, one or more individual cells of the fuel cell stack ( 10 ) pass through a voltage maximum across diagnostic units. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom aufgeprägt wird derart, dass ein vorbestimmter zeitlicher Spannungsverlauf (Usoll) zumindest zweitweise eine Spannung im Bereich von 0,4 bis 0,8 V pro Zelle durchläuft und der Strom in diesem Bereich gemessen wird.Passes through at least Diagnostic method according to one of claims 3, 4 or 5, characterized in that the current is impressed in such a way that a predetermined temporal voltage curve (U soll) second, a voltage in the range of 0.4 to 0.8 V per cell, and the Electricity in this area is measured. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Onboard-Verfahren durchgeführt wird und der Pumpstrom (IH2) während eines Standby-Modus des Brennstoffzellenstapels (10) erfasst wird.Diagnostic method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the method is carried out as an on-board method and the pumping current (I H2 ) during a standby mode of the fuel cell stack ( 10 ) is detected. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des diffusions- und/oder permeationsgetriebenen Stofftransports von molekularem Wasserstoff durch die Membran (14) für den gesamten Brennstoffzellenstapel (10) oder für individuelle Diagnoseeinheiten, umfassend eine oder mehrere Einzelzellen (11), durchgeführt wird.Diagnostic method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the diffusion and / or permeation-driven mass transport of molecular hydrogen through the membrane ( 14 ) for the entire fuel cell stack ( 10 ) or for individual diagnostic units, comprising one or more individual cells ( 11 ), is carried out. Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung eines elektrischen Kurzschlussstroms (Ishort) durch die Membran (14) umfasst und zum Erhalt des Pumpstroms (IH2) der gemessene Strom (Imess) um den Kurzschlussstrom (Ishort) korrigiert wird. Diagnostic method according to one of claims 2 to 8, characterized in that the state determination further comprises a determination of an electrical short-circuit current (I short ) through the membrane ( 14 ) and to obtain the pump current (I H2 ), the measured current (I mess ) is corrected by the short-circuit current (I short ). Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung einer Doppelschichtkapazität (Ci) zumindest einer der katalytischen Elektroden umfasst, die in Abhängigkeit des Stoffstroms oder des ermittelten elektrischen Pumpstroms (IH2) bestimmt wird.Diagnostic method according to one of the preceding claims, characterized in that the state determination further comprises a determination of a double-layer capacitance (C i ) of at least one of the catalytic electrodes, which is determined depending on the material flow or the determined electric pump current (I H2 ). Diagnoseverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsermittlung ferner eine Ermittlung einer aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA) zumindest einer der katalytischen Elektroden umfasst, die in Abhängigkeit von dem ermittelten elektrischen Pumpstrom (IH2) und der ermittelten Doppelschichtkapazität (Ci) bestimmt wird.Diagnostic method according to claim 10, characterized in that the state determination further comprises a determination of an active catalyst surface (ECSA) of at least one of the catalytic electrodes, which is determined in dependence on the determined electric pumping current (I H2 ) and the determined double-layer capacitance (C i ). Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungen des Pumpstroms (IH2), des elektrischen Kurzschlussstroms (Ishort), der Doppelschichtkapazität (Ci) und/oder der aktiven Katalysatoroberfläche (ECSA) oder der für diese Größen erforderlichen Teilmessungen zeitlich unabhängig und in beliebiger Reihenfolge in Abhängigkeit eines Betriebspunkts oder Zustands des Brennstoffzellenstapels (10) durchgeführt werden.Diagnostic method according to one of claims 9 to 11, characterized in that the determinations of the pumping current (I H2 ), the electrical short-circuit current (I short ), the double-layer capacitance (C i ) and / or the active catalyst surface (ECSA) or for these sizes required partial measurements independent of time and in any order depending on an operating point or state of the fuel cell stack ( 10 ) be performed.
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