DE102015225353A1 - A method for determining a degradation state of a fuel cell assembly, method of operating a fuel cell assembly, control unit, operating device and computer program product - Google Patents

A method for determining a degradation state of a fuel cell assembly, method of operating a fuel cell assembly, control unit, operating device and computer program product Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), mit den Schritten (A) wiederholtes Erfassen mindestens eines Teils einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) der Brennstoffzellenanordnung (10) im stromgeführten Betrieb, (B) Bestimmen einer Leistungskennlinie (83, 85) aus einer jeweiligen Strom-Spannungskennlinie (73, 75), (C) Vergleichen einer aktuelleren Leistungskennlinie (83, 85) mit mindestens einer zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85), (D) Bestimmen eines Unterschiedsmaßes zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85) aus dem Vergleichen (C) und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage des Unterschiedsmaßes.The present invention relates to a method for determining a degradation state of a fuel cell assembly (10) of a fuel cell system (100) comprising the steps (A) repeatedly detecting at least part of a current-voltage characteristic (73, 75) of the fuel cell assembly (10) in the current-controlled operation, (B) determining a power characteristic (83, 85) from a respective current-voltage characteristic (73, 75), (C) comparing a more recent power characteristic (83, 85) with at least one performance characteristic (83, 85), (D ) Determining a difference measure between the more recent and the time lagged power characteristic (83, 85) from the comparison (C) and (E) generating a degradation measure representative of the degradation state on the basis of the difference measure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebes einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems, eine Betriebsvorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug, und sowie ein Computerprogrammerzeugnis. The present invention relates to a method for determining a degradation state of a fuel cell assembly of a fuel cell system, a method of operating a fuel cell assembly of a fuel cell system, a control unit for controlling the operation of a fuel cell assembly of a fuel cell system, an operating device, in particular a vehicle, and a computer program product.

Beim Betrieb von Vorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen oder dergleichen werden als Energiequelle vermehrt Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellenanordnungen, die auch als Stacks oder Brennstoffzellenstacks bezeichnet werden, eingesetzt. In the operation of devices and in particular of vehicles or the like, fuel cell systems with fuel cell arrangements, which are also referred to as stacks or fuel cell stacks, are increasingly being used as the energy source.

Problematisch – insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik – ist, dass Verschlechterungen der Systemleistung im Sinne eines Abfalles der abgebbaren elektrischen Leistung bei Brennstoffzellenanordnungen während des Betriebes derzeit nicht erfasst oder zumindest nicht ausgewertet oder überwacht werden. A problem - especially in the field of vehicle technology - is that deterioration of system performance in terms of a drop in the deliverable electrical power in fuel cell assemblies during operation is currently not detected or at least not evaluated or monitored.

Da die Leistung einer Brennstoffzellenanordnung plötzlich und unerwartet abfallen und somit degradieren kann, besteht ein Bedürfnis dahingehend, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenanordnung sicherer und zuverlässiger zu gestalten. Since the performance of a fuel cell assembly may suddenly and unexpectedly drop and thus degrade, there is a need to make the operation of a fuel cell system having a fuel cell assembly safer and more reliable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebes einer Brennstoffzellenanordnung, eine Betriebsvorrichtung und ein Computerprogrammerzeugnis anzugeben, bei welchen bei möglichst geringem Aufwand und in zuverlässiger Art und Weise Informationen über eine mögliche Verschlechterung der Leistungsabgabe einer Brennstoffzellenanordnung ableitbar sind und damit ein zuverlässigerer Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung möglich wird. The invention is based on the object to provide a method for determining a degradation state of a fuel cell assembly, a method for operating a fuel cell assembly, a control unit for controlling the operation of a fuel cell assembly, an operating device and a computer program product, wherein at the lowest possible cost and in a reliable manner and information on a possible deterioration of the power output of a fuel cell assembly are derivable and thus a more reliable operation of a fuel cell assembly is possible.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12, bei einer Steuereinheit erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13, bei einer Betriebsvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 und einem Computerprogrammerzeugnis erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. The object underlying the invention is in a method for determining a degradation state of a fuel cell assembly according to the invention with the features of independent claim 1, in a method of operating a fuel cell assembly according to the invention with the features of independent claim 12, in a control unit according to the invention with the features of independent claim 13, in an operating device according to the invention with the features of independent claim 14 and a computer program product according to the invention with the features of independent claim 15 solved. Advantageous developments are the subject of the respective dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems geschaffen. Dieses weist erfindungsgemäß die Schritte (A) wiederholtes Erfassen mindestens eines Teils einer Stromspannungskennlinie der Brennstoffzellenanordnung im stromgeführten Betrieb, (B) Bestimmen einer Leistungskennlinie aus einer jeweiligen Stromspannungskennlinie, (C) Vergleichen einer aktuelleren Leistungskennlinie mit mindestens einer zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie, (D) Bestimmen eines Unterschiedsmaßes zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie aus dem Vergleichen (C) und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage des Unterschiedsmaßes auf. According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of determining a degradation state of a fuel cell assembly of a fuel cell system. According to the invention, this comprises the steps of (A) repeatedly detecting at least part of a current-voltage characteristic of the fuel cell arrangement in current-controlled operation, (B) determining a power characteristic from a respective current-voltage characteristic, (C) comparing a more recent performance characteristic with at least one performance characteristic lying further back in time, (D) Determining a difference measure between the more recent and the time lagged performance curve from comparing (C) and (E) generating a degradation measure representative of the degradation state on the basis of the difference measure on.

Durch das wiederholte Erfassen von Stromspannungs- und Leistungskennlinien und deren Vergleich in zeitlicher Hinsicht kann über das Unterschiedsmaß, das Degradationsmaß und deren zeitliche Entwicklung, auch unter Einbeziehung von Tendenzen, frühzeitig eine Verschlechterung im Leistungsvermögen der Brennstoffzellenanordnung erkannt werden. Die ist erfindungsgemäß auch bereits zu einem Zeitpunkt möglich, bei welchem ein sich andeutender Leistungsabfall für den aktuellen Betrieb noch unkritisch ist. Auf der Grundlage einer derartigen Bewertung können dann beim Betrieb und/oder der Pflege des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems regenerative oder erhaltende Maßnahmen getroffen und gestaltet und/oder auch ein Zeitpunkt für einen Tausch oder eine Wartung von Komponenten des Systems bestimmt werden. Due to the repeated detection of voltage and power characteristics and their comparison in terms of time can be detected at an early stage deterioration in the performance of the fuel cell assembly on the difference, the degradation measure and its evolution over time, including trends. According to the invention, this is already possible at a point in time at which an imminent drop in performance is not yet critical for the current operation. On the basis of such a rating, regenerative or maintenance measures can then be taken and designed during operation and / or maintenance of the underlying fuel cell system and / or a time for replacement or maintenance of components of the system can be determined.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Erfassen (A) des mindestens eines Teiles einer Strom-Spannungskennlinie regelbasiert zeitlich und/oder situativ gesteuert erfolgt. Auf diese Art und Weise kann einer Vielzahl von Betriebsszenarien Rechnung getragen werden, indem insbesondere automatisch und ohne Eingriff eines Benutzers, einer Werkstatt oder dergleichen, eine Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenanordnung erfolgt. In an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the detection (A) of the at least one part of a current-voltage characteristic line is controlled rule-based temporally and / or situationally controlled. In this way, a multiplicity of operating scenarios can be taken into account by, in particular, automatically and without the intervention of a user, a workshop or the like, checking the performance of the fuel cell arrangement.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Erfassen (A) des mindestens eines Teiles einer Stromspannungskennlinie (i) täglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Tag oder einer Woche, bei jedem Startvorgang des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems, in Abhängigkeit von einer Betriebszeitspanne und/oder von einer erbrachten Leistung, insbesondere einer Fahrstrecke, und/oder (ii) bei einem Froststart, einem Vorgang des Quickwarmup, bei Fehlerereignissen oder kritischen Betriebssituationen, insbesondere bei Betriebstemperaturen unterhalb einer ersten Temperaturschranke und/oder oberhalb einer zweiten Temperaturschranke erfolgt. Dadurch werden auch Szenearien abgedeckt, bei denen sich eine Degradation der Leistung besonders manifestiert. It is particularly advantageous if, according to a preferred embodiment of the method according to the invention, the detection (A) of the at least one part of a current-voltage characteristic (i) daily, at a certain time a day or a week, at each starting operation of the underlying fuel cell system, depending on an operating time period and / or a performed power, in particular a driving distance, and / or (ii) during a frost start, a quick warmup, fault events or critical operating situations, in particular at operating temperatures below a first temperature barrier and / or above a second temperature barrier takes place. This also covers scenarios in which a degradation of the performance is particularly manifest.

Besonders einfach gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn der messtechnische Aufwand gering gehalten werden kann und auch der Aufwand der weiteren Prozessschritte hinsichtlich der einzusetzenden Ressourcen gering bleibt. Dies wird bei einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht, indem das Erfassen (A) des mindestens eines Teiles einer Strom-Spannungskennlinie erfolgt, indem drei oder mehr Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren im stromgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung gemessen und insbesondere weitere Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren inter- oder extrapoliert werden. The inventive method is particularly simple if the metrological effort can be kept low and also the cost of further process steps in terms of the resources to be used remains low. In a further development of the method according to the invention, this is achieved by detecting (A) the at least one part of a current-voltage characteristic by measuring three or more interpolation points with pairs of current voltage values in the current-controlled operation of the fuel cell arrangement and, in particular, interpolating or extrapolating further interpolation points with current voltage value pairs ,

Erfahrungsgemäß lässt sich das erfindungsgemäße Vorgehen weiter vereinfachen, indem Leistungsbereiche bei der Erfassung von Messdaten und Bewertung ausgeblendet werden, die auf Grund von Rückschlüssen bewertbar sind. So ist es bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass Stromspannungswertepaare im Bereich niedriger Leistung, insbesondere unterhalb von 60 % der Maximalleistung, und/oder im Bereich hoher Leistung, insbesondere oberhalb von 85 % der Maximalleistung, der Brennstoffzellenanordnung erfasst werden. Experience has shown that the procedure according to the invention can be further simplified by suppressing power ranges in the acquisition of measurement data and evaluation which can be evaluated on the basis of inferences. Thus, it is provided in another advantageous development of the method according to the invention that current voltage value pairs in the range of low power, in particular below 60% of the maximum power, and / or in the range of high power, in particular above 85% of the maximum power of the fuel cell assembly are detected.

Die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich weiter steigern, indem die erfassten und ggf. die interpolierten Stromspannungswertepaare, Stromspannungskennlinie und/oder die Leistungskennlinie der Brennstoffzellenanordnung zeitlich zuordenbar gespeichert werden, insbesondere in einem Historienspeicher, mit einem Zeitstempel und/oder mit einem Statusstempel versehen. Insbesondere ermöglichen ein Zeitstempel eine genaue zeitliche Zuordnung der erfassten Daten und ein Statusstempel ein Erfassen der zum Mess- oder Erfassungszeitpunkt konkret vorliegenden apparativen Situation, ggf. mit sämtlichen relevanten Betriebs- und Statusparametern. The reliability of the method according to the invention can be further increased by storing the detected and, if applicable, the interpolated voltage value pairs, current voltage characteristic and / or the power characteristic of the fuel cell arrangement in chronological order, in particular in a history memory, with a time stamp and / or with a status stamp. In particular, a timestamp enable a precise temporal assignment of the acquired data and a status stamp to detect the apparatus situation concretely present at the time of measurement or detection, possibly with all relevant operating and status parameters.

Ein jeweiliger Stempel kann auch zunächst als Referenz im Sinne eines Pointers vorgesehen sein, welcher eine Zuordnung des reinen Erfassungs- oder Messdatensatzes im Hinblick auf die Stromspannungskennlinie oder Stromleistungskennlinie referenziell mit anders erfassten oder abgelegten Parametern liefert. A respective stamp can also initially be provided as a reference in the sense of a pointer, which supplies an association of the pure acquisition or measurement data set with reference to the current-voltage characteristic or current-output characteristic with different detected or stored parameters.

So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass beim Erfassen (A) der Stromspannungskennlinie zusätzlich weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung erfasst und gespeichert werden, insbesondere als Teil des Statusstempels und/oder mit Referenz zu einem Statusstempel. Thus, it is provided according to another preferred embodiment of the method according to the invention that when detecting (A) of the current voltage characteristic additionally further operating parameters of the fuel cell assembly are detected and stored, in particular as part of the status stamp and / or with reference to a status stamp.

Auf Grund der Wechselwirkung der verschiedenen Systemkomponenten mit ihren Bedingungen und ihren Einflüssen aufeinander bieten sich vielfältige Möglichkeiten bei der Erfassung weiterer Betriebsparameter an. So ist es gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, dass beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie als weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung eine Stackspannung, Einzelzellenspannungen, eine Stacktemperatur, Temperatur, Druck, Konzentration und/oder Fluss einer Gaskomponente in der Brennstoffzellenanordnung und/oder im Abgas, insbesondere von Wasserstoffgas, Umgebungsparameter, insbesondere Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit, Betriebsparameter einer zu Grunde liegenden Betriebsvorrichtung, insbesondere Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Querbeschleunigung eines versorgten Fahrzeuges, und/oder Messwerte aus einer elektrischen Impedanzspektroskopie an der Brennstoffzellenanordnung erfasst werden. Due to the interaction of the various system components with their conditions and their influences on each other, there are many possibilities for recording further operating parameters. Thus, it is conceivable according to another development of the method according to the invention that when detecting (A) a current-voltage characteristic as further operating parameters of the fuel cell arrangement, a stack voltage, single-cell voltages, a stack temperature, temperature, pressure, concentration and / or flow of a gas component in the fuel cell assembly and / or in the exhaust gas, in particular of hydrogen gas, environmental parameters, in particular temperature, pressure and / or humidity, operating parameters of an underlying operating device, in particular speed, acceleration and / or lateral acceleration of a supplied vehicle, and / or measured values from an electrical impedance spectroscopy are detected at the fuel cell assembly ,

Auch beim Vergleichen und bei der Auswertung der Vergleichsergebnisse sind verschiedene Strategien denkbar. So kann zunächst ein signifikanter Teilabschnitt oder Punkt einer Kennlinie festgelegt werden, der für die Brennstoffzellenanordnung und das Brennstoffzellensystem besonders aussagekräftig und charakteristisch sind. Durch das Erfassen der verschiedenen Kennlinien im Verlauf der Zeit kann dann die Veränderung des signifikanten Teilabschnittes oder Punktes in den Stromspannungskennlinien oder den Leistungskennlinien betrachtet werden. Überschreitet die Veränderung ein bestimmtes Maß zwischen zwei voneinander verschiedenen Zeitpunkten, so kann dies als Grundlage für die Bestimmung eines Degradationsmaßes, welches für den Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung charakteristisch ist, herangezogen werden. Even when comparing and evaluating the comparison results, different strategies are conceivable. Thus, first of all, a significant partial section or point of a characteristic curve can be determined which is particularly meaningful and characteristic for the fuel cell arrangement and the fuel cell system. By detecting the various characteristics with the passage of time, the change of the significant subsection or point in the current-voltage characteristics or the performance characteristics can then be considered. If the change exceeds a certain level between two mutually different points in time, this can be used as the basis for determining a degree of degradation, which is characteristic for the degradation state of the fuel cell arrangement.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Bestimmen (D) des Unterschiedsmaßes eine Differenz von Werten einer von der Brennstoffzellenanordnung abgegebenen elektrischen Leistung zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie einzeln und/oder in summierter oder integrierter Form bestimmt wird. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that, when determining (D) the difference measure, a difference between values of an electric power output by the fuel cell arrangement is present between the more recent and the further past performance characteristic curve individually and / or in summed or integrated form.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass auf eine Degradation der Brennstoffzellenanordnung erkannt wird, wenn eine einzelne Differenz einen ersten Schwellwert, insbesondere von 5 %, und/oder eine summierte oder integrierte Form von Differenzen einen zweiten Schwellwert, insbesondere von 10 %, übersteigt. In particular, it may be provided that a degradation of the fuel cell arrangement is detected when a single difference exceeds a first threshold, in particular of 5%, and / or a summed or integrated form of differences exceeds a second threshold, in particular of 10%.

Um Kennlinien der Brennstoffzellenanordnung erfassen zu können, muss sich diese in Betrieb befinden. Dabei ist der stromgeführte Betrieb besonders bevorzugt. In order to capture characteristics of the fuel cell assembly, it must be in operation. In this case, the current-guided operation is particularly preferred.

Ferner ist es von Vorteil, wenn gemäß einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Erfassen einer Stromspannungskennlinie der Brennstoffzellenanordnung der Betrieb stromgeführt erfolgt, indem die Brennstoffzellenanordnung gesteuert als Leistungsquelle geschaltet und zum Übertragen elektrischer Leistung an einen Verbraucher als Leistungssenke veranlasst wird. Furthermore, it is advantageous if, in accordance with a further development of the method according to the invention when detecting a current-voltage characteristic of the fuel cell array, the operation current-controlled by the fuel cell assembly controlled as a power source switched and causes electrical energy to be transmitted to a consumer as a power sink.

Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Brennstoffzellenanordnung veranlasst wird, an einen Energiespeicher und insbesondere an einen Hochvoltspeicher als Leistungssenke Leistung abzugeben. Alternatively or additionally, it is conceivable that the fuel cell arrangement is caused to deliver power to an energy store and in particular to a high-voltage storage as a power sink.

Durch dieses Vorgehen ist es möglich, dass das Erfassen einer Stromspannungskennlinie oder einer Leistungskennlinie während des Betriebes der Brennstoffzellenanordnung und des Brennstoffzellensystems erfolgt, ohne dass der Benutzer davon Notiz nimmt. By doing so, it is possible to detect a current-voltage characteristic or a performance characteristic during operation of the fuel cell assembly and the fuel cell system without the user's notice.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie auch Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung, des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems und/oder damit gekoppelter und insbesondere damit versorgter Einrichtungen angesteuert verändert werden, insbesondere Druck, Temperatur, Konzentration, Durchfluss, Rezirkulationsrate und/oder Feuchtegrad mindestens einer Gaskomponente, insbesondere der Zuluft und des Wasserstoffgases, und/oder die Kühlleistung einer die Brennstoffzellenanordnung kühlenden Kühleinheit. In another advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that when operating (A) a current voltage characteristic also operating parameters of the fuel cell assembly, the underlying fuel cell system and / or coupled thereto and in particular so supplied facilities are changed, in particular pressure, temperature, concentration , Flow rate, recirculation rate and / or degree of humidity of at least one gas component, in particular the supply air and the hydrogen gas, and / or the cooling capacity of a cooling unit cooling the fuel cell arrangement.

Durch diese Maßnahmen können Zustände und Situationen hervorgerufen werden, die ein Verhalten der Brennstoffzellenanordnung bewirken, welches eindeutig einen Rückschluss auf das Bestehen oder Nichtbestehen einer Degradation erlauben. By means of these measures, states and situations can be caused which cause a behavior of the fuel cell arrangement, which clearly allows a conclusion on the existence or non-existence of a degradation.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems geschaffen, bei welchem der Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und auf der Grundlage eines den Degradationszustand repräsentierenden Degradationsmaßes und/oder seiner zeitlichen Entwicklung Betriebsparameter und/oder Regenerationsparameter der Brennstoffzellenanordnung und/oder von mit der Brennstoffzellenanordnung zusammenhängender Komponenten, insbesondere des Brennstoffzellensystems, geregelt werden. According to another aspect of the present invention, there is also provided a method of operating a fuel cell assembly of a fuel cell system, wherein the degradation state of the fuel cell assembly is determined by a method of the invention and based on a degradation measure representing the degradation state and / or its temporal evolution, operating parameters, and / or regeneration parameters Fuel cell assembly and / or associated with the fuel cell assembly components, in particular the fuel cell system can be controlled.

Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung auch eine Steuereinheit, welche ausgebildet ist zum Steuern des Betriebs einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems und welche eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen des Degradationszustandes der Brennstoffzellenanordnung auszuführen. According to a further aspect, the present invention also provides a control unit which is designed to control the operation of a fuel cell arrangement of a fuel cell system and which is configured to carry out a method according to the invention for operating the fuel cell arrangement and / or a method according to the invention for determining the degradation state of the fuel cell arrangement.

Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Betriebsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, welche von einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems betreibbar sind und eine erfindungsgemäße Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung aufweisen. Furthermore, the subject of the present invention is an operating device, and in particular a vehicle, which are operable by a fuel cell arrangement of a fuel cell system and have a control unit according to the invention for controlling the operation of the fuel cell arrangement.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Computerprogrammerzeugnis mit einem Programmcode, der eingerichtet ist, wenn er ausgeführt wird, einen Computer oder eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zu veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Finally, the present invention also relates to a computer program product with a program code which is set up, when executed, to cause a computer or a digital signal processor to carry out a method according to the invention.

Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the figures.

1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Brennstoffzellensystem zeigt, welches im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist. 1 Fig. 10 is a block diagram showing a fuel cell system usable in the context of the present invention.

2 zeigt ein Zeitleistungsdiagramm mit zu verschiedenen Zeitpunkten erfassten Werten der elektrischen Leistung, die von einer Brennstoffzellenanordnung abgegeben werden. 2 FIG. 12 shows a time performance diagram with values of the electric power sensed at different times emitted by a fuel cell assembly. FIG.

3A und 3B zeigen in Diagrammen Beispiele von Stromspannungs- und Stromleistungskennlinien, wie sie bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können. 3A and 3B show in diagrams examples of voltage and current characteristics, as they can be used in the present invention.

4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges. 4 shows a schematic side view of an embodiment of a vehicle according to the invention.

Die 1 bis 4 zeigen in schematischer Art und Weise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder äquivalent sowie gleich oder äquivalent wirkende Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird eine Detailbeschreibung wiederholt. Die in den Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung genannten Merkmale und weiteren Eigenschaften der Erfindung können beliebig voneinander getrennt oder miteinander kombiniert verwendet werden ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. The 1 to 4 show in a schematic way embodiments of the present invention. Equal or equivalent as well as equivalent or equivalent components are denoted by the same reference numerals. Not in every case of their occurrence a detailed description is repeated. The features mentioned in the claims, the figures and the description and further features of the invention can be used as they are, either separately or combined with one another, without departing from the essence of the invention.

Grundsätzlich sind die zuvor und die nachfolgend genannten Aspekte der vorliegenden Erfindung auf sämtliche Brennstoffzellenanordnungen und Brennstoffzellensysteme anwendbar. Insbesondere wird, jedoch nicht beschränkend, im Zusammenhang mit der Beschreibung auf Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen Bezug genommen, auch wenn dies nicht immer explizit erwähnt wird. Basically, the above and below aspects of the present invention are applicable to all fuel cell assemblies and fuel cell systems. In particular, though not by way of limitation, reference is made to hydrogen-oxygen fuel cells in the context of the description, although this is not always explicitly mentioned.

Dazu zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Brennstoffzellenanordnung 10. In addition shows 1 a block diagram of a fuel cell system 100 with a fuel cell assembly 10 ,

Die Brennstoffzellenanordnung 10 kann aus einer Mehrzahl von Einzelzellen bestehen. In diesem Zusammenhang wird die Brennstoffzellenanordnung 10 auch als Stack oder Brennstoffzellenstack bezeichnet und gelegentlich mit dem Symbol FCS abgekürzt. The fuel cell assembly 10 may consist of a plurality of single cells. In this context, the fuel cell assembly 10 also known as stack or fuel cell stack and occasionally abbreviated with the symbol FCS.

Das Brennstoffzellensystem 100 untergliedert sich grob in einen anodischen Bereich 15 und in einen kathodischen Bereich 16. Der anodische Bereich 15 wird über ein entsprechendes Leitungssystem mit einem ersten Prozessgas 15-1, z.B. Wasserstoffgas beaufschlagt und der Anodeneinheit 11 zugeführt. The fuel cell system 100 is roughly subdivided into an anodic area 15 and in a cathodic area 16 , The anodic area 15 is via a corresponding line system with a first process gas 15-1 , For example, hydrogen gas applied and the anode unit 11 fed.

Zur Anodeneinheit 11 benachbart ist die Kathodeneinheit 12 ausgebildet, die über ein entsprechendes Leitungssystem mit einem zweiten Prozessgas 16-1, z.B. Luft, versorgt und im Hinblick auf die Abluft oder das Abgas 16-2 entsorgt wird. To the anode unit 11 adjacent is the cathode unit 12 formed, which via a corresponding line system with a second process gas 16-1 , eg air, supplied and with regard to the exhaust air or the exhaust gas 16-2 is disposed of.

Die Brennstoffzellenanordnung 10 mit den einzelnen Brennstoffzellen beruht auf dem Funktionsprinzip einer galvanischen Zelle. Bei dieser wird chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, hier des ersten Prozessgases 15-1, z.B. in Form von Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, hier das zweite Prozessgas 16-1 und insbesondere des in der Zuluft enthaltenen Sauerstoffes, in elektrische Energie gewandelt. The fuel cell assembly 10 with the individual fuel cells is based on the functional principle of a galvanic cell. In this chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, here the first process gas 15-1 , for example in the form of hydrogen, and an oxidizing agent, here the second process gas 16-1 and in particular the oxygen contained in the supply air, converted into electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 und die Brennstoffzellenanordnung 10 selbst bilden als solche noch keinen Energiespeicher für elektrische Energie, sondern zunächst nur eine Energie- und Leistungsquelle für elektrische Energie. The fuel cell system 100 and the fuel cell assembly 10 Even as such, they do not yet form an energy store for electrical energy, but initially only an energy and power source for electrical energy.

Notwendig, um den Energiekreislauf zu schließen, sind somit ein in 1 nicht dargestellter Verbraucher bzw. ein Speicher für elektrische Energie, z.B. ein Hochvoltspeicher, wie er z.B. bei elektrisch oder hybrid betriebenen Fahrzeugen eingesetzt wird. Necessary to close the energy cycle, are thus a in 1 not shown consumer or a memory for electrical energy, such as a high-voltage storage, as used for example in electric or hybrid vehicles operated.

In 1 ist noch eine Kühleinheit 13 mit einem Kühlmittelzufluss 13-1 und einem Kühlmittelabfluss 13-2 dargestellt, um die Brennstoffzellenanordnung 10 in einem besonders günstigen Temperaturintervall betreiben zu können, entweder durch Kühlen oder durch Erwärmen über ein Wärmeaustauschmedium, z.B. ein Kühlmittel. In 1 is still a cooling unit 13 with a coolant flow 13-1 and a coolant drain 13-2 shown to the fuel cell assembly 10 be able to operate in a particularly favorable temperature interval, either by cooling or by heating through a heat exchange medium, for example a coolant.

2 zeigt nach Art eines Zeitleistungsdiagrammes 60 mit der an der Abszisse 61 aufgetragenen Zeit in Sekunden und der an der Ordinate 62 aufgetragenen elektrischen Leistung P in relativen Leistungseinheiten eine Messkurve 63, welche der Erfassung einer Stromspannungskennlinie 73, 75 bzw. einer Stromleistungskennlinie 83, 85 zu Grunde gelegt werden kann. 2 shows in the manner of a time performance diagram 60 with the at the abscissa 61 applied time in seconds and the ordinate 62 applied electrical power P in relative power units a waveform 63 , which is the detection of a current-voltage characteristic 73 . 75 or a power output characteristic 83 . 85 can be used as a basis.

Dabei werden bei der durch 2 symbolisierten Messung jeweils für eine Zeitspanne von 10 Sekunden über entsprechende Leistungspegel mit Strom und Spannung Wertepaare 64, 65 und 66 erfasst und der Bestimmung einer Stromspannungskennlinie 73, 75 bzw. einer Stromleistungskennlinie 83, 85, wie sie nachfolgend im Detail beschrieben werden wird, zu Grunde gelegt. It will be in by 2 symbolized measurement each for a period of 10 seconds over corresponding power levels with current and voltage value pairs 64 . 65 and 66 detected and the determination of a current voltage characteristic 73 . 75 or a power output characteristic 83 . 85 , as will be described in detail below, based.

In den 3A und 3B sind ein Stromspannungsdiagramm 70 bzw. ein Stromleistungsdiagramm 80 aus einer Messung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung 10 dargestellt. In the 3A and 3B are a current voltage diagram 70 or a power flow diagram 80 from a measurement in connection with an embodiment of the method according to the invention for determining a degradation state of a fuel cell arrangement 10 shown.

Ausgangspunkt können dabei gemäß 3A die im Stromspannungsdiagramm 70 dargestellten Stromspannungswertepaare 76 als Messpunkte sein. Auf der Grundlage einer bestimmten Anzahl von Stromspannungsmesswertepaaren 76, z.B. drei Stromspannungsmesswertepaare oder mehr, kann die Stromspannungskennlinie 73 auch durch Interpolation und Extrapolation in den Bereich nicht direkt gemessener Stromspannungswertepaare erstellt werden. Starting point can according to 3A the in the voltage diagram 70 illustrated current voltage value pairs 76 be as measuring points. Based on a specific number of pairs of current value readings 76 , eg three pairs of current value pairs or more, can be the current-voltage characteristic 73 can also be created by interpolation and extrapolation in the range of not directly measured voltage value pairs.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet es sich z.B. an, eine derartige Stromspannungskurve 73 bei einer ersten Inbetriebnahme einer – insbesondere neuen oder überholten – Brennstoffzellenanordnung 10 als Referenz zu erfassen, um später einen Vergleich mit diesem Ursprungszustand, repräsentiert durch die anfangs aufgenommene Stromspannungskennlinie 73, durchführen zu können. In one embodiment of the method according to the invention, it lends itself, for example, to such a voltage curve 73 at a first Commissioning a - in particular new or reconditioned - fuel cell arrangement 10 as a reference, to be compared later with this original state, represented by the initially recorded current-voltage characteristic 73 to be able to perform.

Im Stromspannungsdiagramm 70 ist auf der Abszisse 71 die normierte Stromstärke I/Imax – also die Stromstärke I in Relation zur maximalen Stromstärke Imax der Brennstoffzellenanordnung 10 – aufgetragen. Auf der Ordinate 72 ist die entsprechende normierte Spannung U/Umax der Brennstoffzellenanordnung 10 aufgetragen. In the voltage diagram 70 is on the abscissa 71 the normalized current intensity I / Imax - that is, the current intensity I in relation to the maximum current Imax of the fuel cell assembly 10 - applied. On the ordinate 72 is the corresponding normalized voltage U / Umax of the fuel cell assembly 10 applied.

Zu jedem Mess- oder Überprüfungszeitpunkt wird eine neue Stromspannungskennlinie 73 erfasst und kann z.B. mit früheren Stromspannungskennlinien 73 verglichen werden. Dabei würde eine abweichende Stromspannungskennlinie 75 – stichpunktiert dargestellt – auf eine Degradation hinweisen, wenn die Abweichung der Stromspannungskennlinie 75 z.B. lokal einen Schwellenwert übersteigt, der durch die gestrichelt dargestellte Schwellenlinie 74 repräsentiert wird. At each measurement or inspection time, a new current-voltage characteristic is generated 73 recorded and can eg with previous current voltage characteristics 73 be compared. There would be a different voltage characteristic 75 - shown in dotted lines - indicate a degradation, if the deviation of the current voltage characteristic 75 For example, locally exceeds a threshold, by the threshold line shown in dashed lines 74 is represented.

Statt eines direkten Vergleichs der Stromspannungskennlinien 73, 75 wird erfindungsgemäß auf Stromleistungskennlinien 83, 85 zurückgegriffen, wie sie im Zusammenhang mit 3B in dem Stromleistungsdiagramm 80 dargestellt sind. Instead of a direct comparison of the current-voltage characteristics 73 . 75 is according to the invention on power characteristics 83 . 85 resorted to, as related to 3B in the power flow diagram 80 are shown.

Bei diesem Diagramm ist auf der Abszisse 81 wieder der normierte elektrische Strom I/Imax und auf der Ordinate 82 nun die normierte Leistung P/Pmax der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 aufgetragen. In this diagram is on the abscissa 81 again the normalized electric current I / Imax and on the ordinate 82 now the normalized power P / Pmax of the underlying fuel cell assembly 10 applied.

Aus den Wertepaaren 76 der Stromspannungskennlinie 70 kann durch Produktbildung die durch die Brennstoffzellenanordnung 10 gelieferte elektrische Leistung P für jedes Stromspannungswertepaar 76 in ein entsprechendes Stromleistungswertepaar 86 umgerechnet werden. Wiederum durch Interpolation und Extrapolation wird auf Stromleistungswertepaare 86, die nicht direkt gemessen wurden, geschlossen. Es ergibt sich so die durchgezogen dargestellte Stromleistungskennlinie 83. From the value pairs 76 the current voltage characteristic 70 can through product formation by the fuel cell assembly 10 delivered electric power P for each pair of current voltage values 76 into a corresponding power value value pair 86 be converted. Again by interpolation and extrapolation will be on power value value pairs 86 not directly measured, closed. This results in the solid-state power characteristic shown in solid lines 83 ,

Im Stromleistungsdiagramm 80 der 3B ist ähnlich der Darstellung der 3A eine abweichende und auf einen Degradationszustand hinweisende Stromleistungskennlinie 85 strichpunktiert dargestellt. Diese zeigt einen abweichenden Verlauf der Stromleistungswertepaare 86, wobei die Abweichung über das durch die Schwellenlinie 84 gegebene Maß hinausgeht und somit einen Hinweis auf eine Degradation der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 liefert. In the power flow diagram 80 of the 3B is similar to the representation of 3A a different and indicative of a degradation state power characteristic 85 shown in phantom. This shows a different course of the power value value pairs 86 where the deviation is beyond that through the threshold line 84 given dimension and thus an indication of a degradation of the underlying fuel cell assembly 10 supplies.

Alternativ zu einem punktweisen Vergleich der Stromleistungswertepaare 86 ist es auch denkbar, auf eine Degradation zu schließen, indem auf summierte oder integrierte Werte zurückgegriffen wird. Alternatively to a pointwise comparison of the power value value pairs 86 it is also conceivable to conclude on a degradation by using summed or integrated values.

Dies kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn die punktuellen Abweichungen der einzelnen Stromleistungswertepaare 86 vom Referenz- oder Regelfall noch gering sind, aber in ihrer Summe oder in ihrem Integral eine Tendenz erkennen lassen, die, gerade in zeitlicher Entwicklung, auf eine schleichende Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 hinweisen. This can be useful, for example, if the punctual deviations of the individual power value value pairs 86 of the reference or rule case are still small, but in their sum or in their integral can be seen a tendency that, especially in temporal evolution, on a gradual deterioration of the performance of the underlying fuel cell assembly 10 clues.

4 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 unter Verwendung einer Steuereinheit 50, welche eingerichtet ist, ein der Erfindung zu Grunde liegendes Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung 10 oder ein der Erfindung zugrunde liegendes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung 10 auszuführen. 4 shows a schematic side view of an embodiment of a vehicle according to the invention 1 using a control unit 50 , which is set up, a method of the invention for determining a degradation state of a fuel cell assembly 10 or an underlying method of the invention for operating a fuel cell assembly 10 perform.

Das in 4 dargestellte Fahrzeug 1 als erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung weist ein Chassis 102 und mittels einer Antriebseinheit 20 antreibbare Räder 104 auf. Die Antriebseinheit 20 wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert, und zwar über die Steuerleitung 51 und unter Rückgriff auf eine Pedaleinheit 30 mit einem Pedal 31, welches durch einen Benutzer des Fahrzeuges 1 bedient wird. This in 4 illustrated vehicle 1 as operating device according to the invention has a chassis 102 and by means of a drive unit 20 drivable wheels 104 on. The drive unit 20 is through the control unit 50 controlled, via the control line 51 and using a pedal unit 30 with a pedal 31 which is provided by a user of the vehicle 1 is served.

Über eine weitere Steuer- und Messleitung 53 greift die Steuereinheit 50 auf das Brennstoffzellensystem 100 mit der Brennstoffzellenanordnung 10 zu, um entsprechende Parameter zur Bewertung des Zustandes der Brennstoffzellenanordnung 10 und zur Steuerung von deren Betrieb zu erfassen. Via another control and measuring line 53 attacks the control unit 50 on the fuel cell system 100 with the fuel cell assembly 10 to provide appropriate parameters for evaluating the condition of the fuel cell assembly 10 and to control their operation.

Das Brennstoffzellensystem 100 ist über eine Versorgungsleitung 101 mit der Antriebseinheit 20 verbunden und gibt, von der Steuereinheit 50 über die Steuer- und Messleitung 53 gesteuert, entsprechend Energie an diese ab, um das Fahrzeug 1 über die Räder 104 anzutreiben. The fuel cell system 100 is via a supply line 101 with the drive unit 20 connected and gives, from the control unit 50 via the control and measuring line 53 controlled, according to energy from this to the vehicle 1 over the wheels 104 drive.

Diese und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit den folgenden Zusammenhängen weiter erläutert:
FCS-Systemdegradationen und der damit verbundene Abfall in der Systemleistung werden bisher nicht während des Fahrbetriebes erfasst, ausgewertet und überwacht und können daher dem Fahrer nicht angezeigt und auch nicht gespeichert werden. Entsprechend ist es nicht möglich, Betriebsstrategie an den Gesundheitszustand des Brennstoffzellensystems 100 anzupassen. These and other aspects and advantages of the present invention will be further elucidated with the following contexts:
FCS system degradations and the associated drop in system performance are not yet detected, evaluated and monitored during vehicle operation and therefore can not be displayed to the driver and also not stored. Accordingly, it is not possible operating strategy on the health status of the fuel cell system 100 adapt.

Die FCS-Systemleistung kann plötzlich und unerwartet degradieren und zum Liegenbleiben, z.B. eines mit einem Brennstoffzellensystem 100 betriebenen Fahrzeuges 1, führen. The FCS system performance can suddenly and unexpectedly degrade and come to rest, eg one with a fuel cell system 100 operated vehicle 1 , to lead.

Degradationen werden dem Fahrer bisher nicht angezeigt. Kritische Systembedingungen werden z.B. auch im Serviceintervall nicht berücksichtigt. Degradations are not displayed to the driver so far. Critical system conditions are e.g. also not considered in the service interval.

Die vorliegende Erfindung schlägt unter anderem eine regelmäßige, z.B. täglichen, von den Fahrkilometern abhängigen, von den Betriebsstunden abhängigen, und/oder eine situationsgesteuerte automatisierte Überprüfung des FCS-Systems 100 im Fahrzeug 1 vor, z.B. nach Froststart, Quickwarmup, nach Fehlerereignissen, bei kritischen Ereignissen wie hohe oder kalte Temperaturen, bei jedem Startvorgang. Die Überprüfung soll vorzugsweise im Hintergrund ablaufen und z.B. über eine über U/I-Kurve realisiert werden, die auch als Stromspannungskennlinie 73, 75 der Brennstoffzelleneinheit 10 bezeichnet wird. The present invention proposes, inter alia, a regular, eg daily, dependent on the driving kilometers, dependent on the operating hours, and / or a situation-controlled automated review of the FCS system 100 in the vehicle 1 before, eg after frost start, quick warmup, after fault events, in case of critical events such as high or cold temperatures, at every start-up. The check should preferably run in the background and be realized, for example, via a U / I curve, which also serves as a current-voltage characteristic 73 . 75 the fuel cell unit 10 referred to as.

Ein Abspeichern der Historie in einem Historienspeicher ist denkbar und vorteilhaft. Dadurch können reversible und irreversible Degradationen vom System 100 frühzeitig erkannt werden und es können Maßnahmen, z.B. ein Werkstattaufenthalt, eine Anzeige, ein Notlauf, ein Inspektion oder dergleichen, eingeleitet werden. Storing the history in a history memory is conceivable and advantageous. This can cause reversible and irreversible degradation of the system 100 be recognized early and measures, such as a workshop visit, a display, a run-flat, an inspection or the like, initiated.

Über eine Funktion kann im Hintergrund bei jedem FCS-Start eine Abfrage- oder Pollkurve als U/I Kurve für wenige Sekunden abgefahren werden, ohne dass der Benutzer des Fahrzeuges etwas davon bemerkt. Using a function, a polling or polling curve can be traversed in the background at every FCS start as a U / I curve for a few seconds, without the user of the vehicle noticing something of it.

Bei reversiblen Degradationen kann die Betriebsstrategie verändert werden, um eine Erholung des Systems 100 zu begünstigen. With reversible degradations, the operating strategy can be changed to a recovery of the system 100 to favor.

Zum Beispiel kann bei Eintrag von Schadgas oder Substanzen, z.B. von Kohlenwasserstoffen, oder bei schlechter Wasserstoff- oder Kraftstoffqualität, der Stack 10 einem Spannungs- und Stromwechsel unterzogen und/oder Temperaturerhöhungen ausgesetzt werden. For example, the entry of noxious gas or substances, such as hydrocarbons, or in poor hydrogen or fuel quality, the stack 10 subjected to a voltage and current changes and / or exposed to temperature increases.

Denkbar ist das Vorsehen eines FCS-Zustandsüberwachers, z.B. nach Art einer Steuereinheit 50 auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens:
Zur Bestimmung des FCS-Systemzustandes können verschiedene FCS-Parameter ausgewertet werden, z.B.

  • – die Stackspannung,
  • – Einzelzellspannungen,
  • – der Wasserstoffdruck und/oder die Wasserstofftemperatur,
  • – Parameter aus einer elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) und/oder
  • – die Wasserstoffkonzentration im Abgas 16-2.
It is conceivable to provide an FCS state monitor, for example in the manner of a control unit 50 based on the method of the invention:
To determine the FCS system status, various FCS parameters can be evaluated, eg
  • The stack voltage,
  • - single-cell voltages,
  • The hydrogen pressure and / or the hydrogen temperature,
  • - Parameters from electrical impedance spectroscopy (EIS) and / or
  • - The hydrogen concentration in the exhaust gas 16-2 ,

Die Auswertungen können in einem Historienspeicher hinterlegt werden, um reversible und irreversible Systemdegradationen zu erkennen. The evaluations can be stored in a history memory to detect reversible and irreversible system degradation.

Als Wichtige Eingangsparameter können für diese Funktion z.B. verwendet werden:

  • – die Temperatur des Stacks 10,
  • – der Ladungszustand (SOC) eines zu Grunde liegenden HV- oder Hochvoltspeichers,
  • – Inhalte eines Historienspeichers,
  • – die Umgebungsparameter, z.B. die Außentemperatur, und/oder
  • – der Fahrzeugzustand, z.B. Geschwindigkeit, Neigung, Querbeschleunigung oder dergleichen.
Important input parameters can be used for this function, for example:
  • - the temperature of the stack 10 .
  • The state of charge (SOC) of an underlying HV or high-voltage storage,
  • - contents of a history memory,
  • - The environmental parameters, such as the outside temperature, and / or
  • - The vehicle condition, such as speed, inclination, lateral acceleration or the like.

Der FCS-Zustandsüberwacher kann während verschiedener Betriebszustände des FCS-Systems 100 zusätzlich Daten erfassen und auswerten, z.B.

  • – während einer Quick-Warmup-Phase,
  • – während Spül- oder Purgevorgängen (löst kurzfristig Druck Wasserstoff und Feuchteschwankungen aus, die sich bei Degradation unterschiedlich auswirken können) und/oder
  • – während eines Normalbetriebs.
The FCS state monitor can during various operating states of the FCS system 100 additionally record and evaluate data, eg
  • During a quick warmup phase,
  • - during rinsing or purge processes (triggers short-term pressure hydrogen and humidity fluctuations, which can have different effects in the event of degradation) and / or
  • - during normal operation.

Der erfindungsgemäße Test kann speziell in die Quickwarmupprozedur ohne Einschränkung der Funktion integriert werden (Leistungsstufen erwärmen den Stack 10 auch). The test according to the invention can be specifically integrated into the quick warmup procedure without restriction of the function (power levels heat up the stack 10 also).

Während der Erfassung einer U/I-Kurve 73, 75 können zusätzlich verschiedene Eingangsparameter für das FCS-System 100 angesteuert und verändert werden:

  • – der Luftdruck, wodurch eine Detektion einer Störung der Medienverteilung auf der Kathodenseite 12 erkennbar wäre,
  • – Druck, Durchfluss und/oder Rezirkulationsrate des Wasserstoffs, wodurch der Wasserhaushalt auf der Anode detektierbar wäre,
  • – die FCS-Kühlung 13, wodurch eine Stackflutungsneigung über Temperatur, z.B. im Zusammenhang mit einem Schaden in der GDL oder Änderung der Hydrophobizität, detektierbar wäre, und/oder
  • – die Feuchte, mittels einer Wassereinspritzung, wodurch sich eine verbesserte Stackkühlung 13 während des Tests ergäbe.
While capturing a U / I curve 73 . 75 In addition, different input parameters for the FCS system 100 be controlled and changed:
  • - The air pressure, whereby a detection of a disturbance of the media distribution on the cathode side 12 it would be recognizable
  • Pressure, flow and / or recirculation rate of the hydrogen, whereby the water balance on the anode would be detectable,
  • - FCS cooling 13 whereby a tendency of stack flooding over temperature, eg in connection with a damage in the GDL or change of the hydrophobicity, would be detectable, and / or
  • - The humidity, by means of a water injection, resulting in an improved stack cooling 13 during the test.

Folgende Vorteile stellen sich erfindungsgemäß ein:

  • – Früherkennung von systembedingten Degradationen,
  • – Detektion und Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Degradationen,
  • – Erkennen von defekten Systemen,
  • – Anzeige von Degradationen für Fahrer oder für Werkstattpersonal,
  • – ereignisgesteuerte Inspektionsintervalle auf Grund von Systemeigenschaften und
  • – temporäre oder/oder dauerhafte Anpassung der Betriebsstrategie, um einen Notlauf zu gewährleisten und/oder den Stack 10 wieder in den Normalzustand zu bringen oder weitere Schädigungen zu vermeiden.
The following advantages occur according to the invention:
  • - early detection of systemic degradation,
  • - detection and differentiation of reversible and irreversible degradation,
  • - Detecting defective systems,
  • - display of degradation for drivers or workshop personnel,
  • - event controlled inspection intervals due to system characteristics and
  • Temporary or permanent adaptation of the operating strategy to ensure emergency operation and / or the stack 10 return to normal or prevent further damage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Fahrzeug vehicle
10 10
Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenstack, FCS Fuel cell assembly, fuel cell stack, FCS
11 11
Anodeneinheit anode unit
12 12
Kathodeneinheit cathode unit
13 13
Kühleinheit cooling unit
15 15
anodischer Bereich anodic area
15-1 15-1
erstes Prozessgas, Wasserstoffgas first process gas, hydrogen gas
16 16
kathodischer Bereich cathodic area
16-1 16-1
zweites Prozessgas, Luft second process gas, air
16-2 16-2
Abgas, Abluft Exhaust gas, exhaust air
20 20
Antriebseinheit drive unit
30 30
Pedaleinheit pedal unit
31 31
Pedal pedal
50 50
Steuereinheit control unit
51 51
Steuerleitung control line
52 52
Steuerleitung control line
53 53
Steuerleitung control line
60 60
Zeitleistungsdiagramm Time performance chart
61 61
Abszisse abscissa
62 62
Ordinate ordinate
63 63
Messkurve measured curve
64 64
Messpunkt, Wertepaar Measuring point, value pair
65 65
Messpunkt, Wertepaar Measuring point, value pair
66 66
Messpunkt, Wertepaar Measuring point, value pair
70 70
Stromspannungsdiagramm Voltage diagram
71 71
Abszisse abscissa
72 72
Ordinate ordinate
73 73
Stromspannungskennlinie Current-voltage characteristic
74 74
Schwellenlinie threshold line
75 75
Stromspannungskennlinie Current-voltage characteristic
76 76
Stromspannungswertepaar, Wertepaar, Messpunkt Current voltage value pair, value pair, measuring point
80 80
Stromleistungsdiagramm Power chart
81 81
Abszisse abscissa
82 82
Ordinate ordinate
83 83
Stromleistungskennlinie Power curve
84 84
Schwellenlinie threshold line
85 85
Stromleistungskennlinie Power curve
86 86
Stromleistungswertepaar, Wertepaar, Messpunkt Current value value pair, value pair, measuring point
100 100
Brennstoffzellensystem The fuel cell system
101 101
Versorgungsleitung supply line
102 102
Chassis chassis
104 104
Rad wheel

Claims (15)

Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), mit: (A) wiederholtes Erfassen mindestens eines Teiles einer Stromspannungskennlinie (73, 75) der Brennstoffzellenanordnung (10) im stromgeführten Betrieb, (B) Bestimmen einer Leistungskennlinie (83, 85) aus einer jeweiligen Stromspannungskennlinie (73, 75), (C) Vergleichen einer aktuelleren Leistungskennlinie (83, 85) mit mindestens einer zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85), (D) Bestimmen eines Unterschiedsmaßes zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85) aus dem Vergleichen (C) und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage des Unterschiedsmaßes. Method for determining a degradation state of a fuel cell assembly ( 10 ) of a fuel cell system ( 100 ), comprising: (A) repeatedly acquiring at least a portion of a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) of the fuel cell assembly ( 10 ) in current-controlled operation, (B) determining a power characteristic ( 83 . 85 ) from a respective current voltage characteristic ( 73 . 75 ), (C) comparing a more recent performance characteristic ( 83 . 85 ) with at least one performance characteristic lying further back in time ( 83 . 85 ), (D) determining a difference between the more recent and the more recent characteristic curve ( 83 . 85 ) from comparing (C) and (E) generating a degradation measure representative of the degradation state on the basis of the difference measure. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens einen Teiles einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) regelbasiert zeitlich und/oder situativ gesteuert erfolgt. Method according to Claim 1, in which the detection (A) of the at least one part of a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) is based on rules based on time and / or situational control. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens einen Teiles einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) (i) täglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Tag oder einer Woche, bei jedem Startvorgang des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems (100), in Abhängigkeit von einer Betriebszeitspanne und/oder von einer erbrachten Leistung, insbesondere einer Fahrstrecke, und/oder (ii) bei einem Froststart, einem Vorgang des Quickwarmup, bei Fehlerereignissen oder kritischen Betriebssituationen, insbesondere bei Betriebstemperaturen unterhalb einer ersten Temperaturschranke und/oder oberhalb einer zweiten Temperaturschranke erfolgt. Method according to Claim 1 or 2, in which the detection (A) of the at least one part of a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) (i) every day, at a specific time in a day or a week, at each start-up of the underlying fuel cell system ( 100 ), as a function of an operating time span and / or of a provided power, in particular a driving route, and / or (ii) during a frost start, a process of the quick warmup, fault events or critical operating situations, in particular at operating temperatures below a first temperature barrier and / or takes place above a second temperature barrier. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens eines Teils einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) erfolgt, indem drei oder mehr Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren (76) im stromgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (10) gemessen und insbesondere weitere Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren (76) inter- oder extrapoliert werden. Method according to one of the preceding claims, wherein detecting (A) the at least part of a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) is performed by connecting three or more fulcrums with pairs of current value ( 76 ) in the current-controlled operation of the fuel cell arrangement ( 10 ) and in particular further interpolation points with pairs of current value pairs ( 76 ) be interpolated or extrapolated. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem Stromspannungswertepaare (76) im Bereich niedriger Leistung, insbesondere unterhalb von 60 % der Maximalleistung, und/oder im Bereich hoher Leistung, insbesondere oberhalb von 85 % der Maximalleistung, der Brennstoffzellenanordnung (10) erfasst werden. Method according to Claim 4, in which voltage-voltage value pairs ( 76 ) in the range of low power, in particular below 60% of Maximum power, and / or in the range of high power, in particular above 85% of the maximum power, of the fuel cell assembly ( 10 ). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die erfassten und ggf. die interpolierten Stromspannungswertepaare (76), Stromspannungskennlinie (73, 75) und/oder die Leistungskennlinie (83, 85) der Brennstoffzellenanordnung (10) zeitlich zuordenbar gespeichert werden, insbesondere in einem Historienspeicher, mit einem Zeitstempel und/oder mit einem Statusstempel versehen. Method according to one of the preceding claims, in which the detected and optionally the interpolated current voltage value pairs ( 76 ), Current voltage characteristic ( 73 . 75 ) and / or the power characteristic ( 83 . 85 ) of the fuel cell assembly ( 10 ) are stored in time, in particular in a history memory, provided with a time stamp and / or with a status stamp. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) der Stromspannungskennlinie (73, 75) zusätzlich weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10) erfasst und gespeichert werden, insbesondere als Teil des Statusstempels und/oder mit Referenz zu einem Statusstempel. Method according to one of the preceding claims, wherein when detecting (A) the current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) additionally further operating parameters of the fuel cell arrangement ( 10 ) and stored, in particular as part of the status stamp and / or with reference to a status stamp. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie (73, 75) als weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10) eine Stackspannung, Einzelzellenspannungen, eine Stacktemperatur, Temperatur, Druck, Konzentration und/oder Fluss einer Gaskomponente in der Brennstoffzellenanordnung (10) und/oder im Abgas, insbesondere von Wasserstoffgas, Umgebungsparameter, insbesondere Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit, Betriebsparameter einer zu Grunde liegenden Betriebsvorrichtung, insbesondere Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Querbeschleunigung eines versorgten Fahrzeuges (1), und/oder Messwerte aus einer elektrischen Impedanzspektroskopie an der Brennstoffzellenanordnung (10) erfasst werden. Method according to Claim 7, in which, when detecting (A), a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) as further operating parameters of the fuel cell arrangement ( 10 ) a stack voltage, single cell voltages, a stack temperature, temperature, pressure, concentration and / or flow of a gas component in the fuel cell assembly ( 10 ) and / or in the exhaust gas, in particular of hydrogen gas, environmental parameters, in particular temperature, pressure and / or humidity, operating parameters of an underlying operating device, in particular speed, acceleration and / or lateral acceleration of a supplied vehicle ( 1 ), and / or measured values from an electrical impedance spectroscopy on the fuel cell arrangement ( 10 ). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem – beim Bestimmen (D) des Unterschiedsmaßes eine Differenz von Werten einer von der Brennstoffzellenanordnung (10) abgegebenen elektrischen Leistung zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85) einzeln und/oder in summierter oder integrierter Form bestimmt wird und – insbesondere auf eine Degradation der Brennstoffzellenanordnung (10) erkannt wird, wenn eine einzelne Differenz einen ersten Schwellwert, insbesondere von 5 %, und/oder eine summierte oder integrierte Form von Differenzen einen zweiten Schwellwert, insbesondere von 10 %, übersteigt. Method according to one of the preceding claims, in which, when determining (D) the difference measure, a difference of values of one of the fuel cell arrangement ( 10 ) output electric power between the more recent and the time lagged performance characteristic ( 83 . 85 ) is determined individually and / or in summed or integrated form and - in particular on a degradation of the fuel cell assembly ( 10 ) is detected when a single difference exceeds a first threshold, in particular of 5%, and / or a summed or integrated form of differences exceeds a second threshold, in particular of 10%. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie (73, 75) die Brennstoffzellenanordnung (10) stromgeführt betrieben wird, indem die Brennstoffzellenanordnung (10) gesteuert als Leistungsquelle geschaltet und zum Übertragen elektrischer Leistung an einen Verbraucher und/oder an einen Energiespeicher, insbesondere einen Hochvoltspeicher, als Leistungssenke veranlasst wird. Method according to one of the preceding claims, in which when detecting (A) a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) the fuel cell assembly ( 10 ) is energized by the fuel cell assembly ( 10 ) controlled as a power source connected and for transmitting electrical power to a consumer and / or to an energy storage, in particular a high-voltage storage, is caused as a power sink. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie (73, 75) Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10), des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems (100) und/oder damit gekoppelter und insbesondere damit versorgter Einrichtungen angesteuert verändert werden, insbesondere Druck, Temperatur, Konzentration, Durchfluss, Rezirkulationsrate und/oder Feuchtegrad mindestens einer Gaskomponente, insbesondere der Zuluft und des Wasserstoffgases, und/oder die Kühlleistung einer die Brennstoffzellenanordnung (10) kühlenden Kühleinheit (13). Method according to one of the preceding claims, in which when detecting (A) a current-voltage characteristic ( 73 . 75 ) Operating Parameters of the Fuel Cell Assembly ( 10 ), the underlying fuel cell system ( 100 ) and / or devices coupled thereto and in particular supplied therewith, in particular pressure, temperature, concentration, flow rate, recirculation rate and / or degree of humidity of at least one gas component, in particular the supply air and the hydrogen gas, and / or the cooling capacity of a fuel cell arrangement ( 10 ) cooling cooling unit ( 13 ). Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), bei welchem: – der Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bestimmt wird und – auf der Grundlage eines den Degradationszustand repräsentierenden Degradationsmaßes und/oder seiner zeitlichen Entwicklung Betriebsparameter und/oder Regenerationsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10) und/oder von mit der Brennstoffzellenanordnung (10) zusammenhängender Komponenten, insbesondere des Brennstoffzellensystems (100), geregelt werden. Method for operating a fuel cell assembly ( 10 ) of a fuel cell system ( 100 ), in which: - the degradation state of the fuel cell assembly ( 10 ) is determined by a method according to one of claims 1 to 11 and based on a degradation measure representing the degradation state and / or its temporal evolution, operating parameters and / or regeneration parameters of the fuel cell assembly ( 10 ) and / or with the fuel cell assembly ( 10 ) related components, in particular the fuel cell system ( 100 ), be managed. Steuereinheit (50) zum Steuern des Betriebs einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), welche eingerichtet ist, ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 12 und/oder ein Verfahren zur Bestimmung des Degradationszustandes der Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen. Control unit ( 50 ) for controlling the operation of a fuel cell assembly ( 10 ) of a fuel cell system ( 100 ), which is arranged, a method for operating the fuel cell assembly ( 10 ) according to claim 12 and / or a method for determining the degradation state of the fuel cell assembly ( 10 ) according to one of claims 1 to 11. Betriebsvorrichtung, insbesondere Fahrzeug (1), welche – von einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100) betreibbar ist und – eine Steuereinheit (50) nach Anspruch 13 zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung (10) aufweist. Operating device, in particular vehicle ( 1 ), which - by a fuel cell assembly ( 10 ) of a fuel cell system ( 100 ) is operable and - a control unit ( 50 ) according to claim 13 for controlling the operation of the fuel cell assembly ( 10 ) having. Computerprogrammerzeugnis mit einem Programmcode, der eingerichtet ist, wenn er ausgeführt wird, einen Computer oder eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen. A computer program product having a program code arranged, when executed, to cause a computer or a digital signal processor to carry out a method according to any one of claims 1 to 12.
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