DE102015225354A1

DE102015225354A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung, Steuereinheit, Betriebsvorrichtung und Computerprogrammerzeugnis

Info

Publication number: DE102015225354A1
Application number: DE102015225354.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Müller; Bernd Müller
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung (10) mit den Schritten (A) Erfassen mindestens eines Stromspannungswertepaares (76) der Brennstoffzellenanordnung (10) im strom-, spannungs- oder leistungsgeführten Betrieb, (B) Prüfen, ob ein jeweiliges Stromspannungswertepaar (76) einem quasistationären Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) entspringt, (C) beim Vorliegen von Quasistationarität Prüfen, ob Vergleichbarkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung (10) zu dem jeweiligen Stromspannungswertepaar (76) mit dem Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) zu mindestens einem Stromspannungsreferenzwertepaares (77) vorliegt, (D) beim Vorliegen von Vergleichbarkeit Bestimmen der von der Brennstoffzellenanordnung (10) abgegebenen elektrischen Leistung aus dem jeweiligen Stromspannungswertepaar (76), (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage einer Differenz der elektrischen Leistung zum jeweiligen Stromspannungswertepaar (76) und der von der Brennstoffzellenanordnung (10) abgegebenen elektrischen Leistung zum Stromspannungsreferenzwertepaar (77).

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.
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.
Problematisch – insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik – ist, dass Verschlechterungen der Systemleistung im Sinne eines Abfalles der abgebbaren elektrischen Leistung bei Brennstoffzellenanordnungen während des Betriebes im Sinne der Quantifizierung einer tatsächlichen oder wahren irreversiblen und/oder reversiblen Degradation, insbesondere im Vergleich zur neuen unbelasteten Systemkomponenten (BoL) unter vergleichbaren, quasistationären Betriebszuständen derzeit nicht ausgewertet oder überwacht werden.
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.
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.
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 10, bei einer Steuereinheit erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11, bei einer Betriebsvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12 und einem Computerprogrammerzeugnis erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung. Dieses weist erfindungsgemäß die Schritte (A) Erfassen mindestens eines Stromspannungswertepaares der Brennstoffzellenanordnung im strom-, spannungs- oder leistungsgeführten Betrieb, (B) Prüfen, ob ein jeweiliges Stromspannungswertepaar einem quasistationären Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung entspringt, (C) beim Vorliegen von Quasistationarität Prüfen, ob Vergleichbarkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung zu dem jeweiligen Stromspannungswertepaar mit dem Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung zu mindestens einem Stromspannungsreferenzwertepaar vorliegt, (D) beim Vorliegen von Vergleichbarkeit Bestimmen der von der Brennstoffzellenanordnung abgegebenen elektrischen Leistung aus dem jeweiligen Stromspannungswertepaar und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage einer Differenz der elektrischen Leistung zum jeweiligen Stromspannungswertepaar und der von der Brennstoffzellenanordnung abgegebenen elektrischen Leistung zum Stromspannungsreferenzwertepaar auf.
Durch das Prüfen (i) auf Quasistationarität einerseits und (ii) auf Vergleichbarkeit mit Referenzdaten andererseits kann z.B. aus der Menge ohnehin beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenanordnung anfallender Messdaten derjenige Datensatz herausgefiltert werden, der einen Vergleich mit den Referenzdaten erlaubt und somit die Bewertung des Zustandes der Brennstoffzellenanordnung im Sinne der Angabe eines Degradationszustandes oder eines Degradationsmaßes in zulässiger und zuverlässiger Art und Weise ermöglicht.
Das Erfassen eines jeweiligen Stromspannungswertpaares kann in vielfältiger Art realisiert werden. Einerseits sind explizite und ggf. zusätzliche Messungen denkbar. Bevorzugt wird jedoch das Ausnutzen und Verwenden beim Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung ohnehin anfallender Messdaten.
So ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Erfassen (A) des mindestens einen Stromspannungswertepaares erfolgt (i) durch Messen des jeweiligen Stromspannungswertepaares im strom-, spannungs- oder leistungsgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung und/oder (ii) durch Abrufen oder Auslesen – insbesondere für den normalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung ohnehin notwendiger – bereits gemessener Stromspannungswertepaare aus dem strom-, spannungs- oder leistungsgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere aus einem Puffer- oder Historienspeicher.
Oft ist es nicht ausreichend, punktuell messend oder auslesend Daten zu erfassen, weil der Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung oft einem ständigen Wechsel unterliegt. Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn das Erfassen des mindestens einen Stromspannungswertepaares wiederholt durchgeführt wird. Dies ist auch insbesondere vorteilhaft, weil dadurch der Aspekt der Quasistationarität des Betriebszustandes der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung überprüft werden kann.
Alternativ oder zusätzlich können bestimmte Betriebszustände der Brennstoffzellenanordnung verstärkt bei der Erfassung des mindestens einen Stromspannungswertepaares berücksichtigt oder auch ausgeschlossen werden.
Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn bei einem bestimmten Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung von einer Quasistationarität überhaupt nicht ausgegangen werden kann, z.B. bei einem Zustand, bei dem naturgemäß die elektrische Leistung in einem kurzen Zeitraum hochgefahren, also gesteigert wird, z.B. beim Beschleunigen eines Fahrzeuges oder dergleichen.
So ist es bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das Erfassen (A) des mindestens eines Stromspannungswertepaares durchgeführt wird in Betriebszuständen der Brennstoffzellenanordnung, welche typsicherweise oder mit hoher Wahrscheinlich quasistationär sind, insbesondere in einem Leerlaufzustand, einem Zustand, bei welchem von der Brennstoffzellenanordnung nach Art eines Tempomaten eine konstante elektrische Leistung abgerufen wird, oder dergleichen.
Um den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung, der beim Erfassen des mindestens einen Stromspannungswertepaares herrscht, charakterisieren zu können, ist es gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass beim Erfassen (A) des mindestens einen Stromspannungswertepaares für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung repräsentative Betriebsgrößen miterfasst werden. Dabei kann es sich um eine oder mehrere der folgenden Größen handeln:

(i) der Zeitpunkt der Erfassung,
(ii) die Partialdrucke beteiligter Prozessgase, insbesondere ein Sauerstoffpartialdruck und ein Wasserstoffpartialdruck,
(iii) die Stack-/Systemtemperatur und/oder
(iv) die Stöchiometrie der Prozessgase insbesondere die Sauerstoff- bzw. Luftstöchiometrie, also insbesondere das Verhältnis von elektrochemisch umgesetztem Sauerstoff zu zugeführter Sauerstoffmenge.

Diese Größen können sich jeweils auf die Brennstoffzellenanordnung als Ganzes oder auf eine oder mehrere Einzelzellen davon beziehen.
Es sind verschiedene Szenarien denkbar, um den Betriebszustand, der beim Erfassen des mindestens einen Stromspannungswertepaares im Zusammenhang mit der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung herrscht, zu charakterisieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Prüfen (B) auf Quasistationarität auf Quasistationarität erkannt, wenn die Werte des jeweiligen Stromspannungswertepaares für eine jeweilige bestimmte Zeitspanne innerhalb eines jeweiligen Werteintervalls liegen.
Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn (i) der Wert der elektrischen Spannung des Stromspannungswertepaares innerhalb einer bestimmten ersten Zeitspanne von nicht weniger als 5 s, vorzugsweise von nicht weniger als 10 s, um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und weiter vorzugsweise um weniger als 1 %, und/oder (ii) der Wert des elektrischen Stromes des Stromspannungswertepaares innerhalb einer bestimmten ersten Zeitspanne von nicht weniger als 5 s, vorzugsweise von nicht weniger als 10 s, um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und weiter vorzugsweise um weniger als 1 %, variieren.
Ein Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist, gemäß den obigen Darlegungen, die Kombination aus einer Prüfung auf Quasistationarität mit anschließender Prüfung auf Vergleichbarkeit.
Dieses Vorgehen liefert letztlich eine Art Datenmaske oder Datenfilter, um die Menge anfallender Betriebsdaten beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenanordnung möglichst ökonomisch, schnell und zuverlässig zur Bewertung eines etwaig vorliegenden Degradationszustandes der Brennstoffzellenanordnung auswerten zu können.
Neben der Prüfung auf Quasistationarität ist also das Prüfen auf Vergleichbarkeit der Betriebszustände des jeweilig erfassten Stromspannungswertepaares im Vergleich zum Betriebszustand eines zu vergleichenden Stromspannungsreferenzwertepaares wesentlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Prüfen (C) auf Vergleichbarkeit ein oder mehrere zusätzlich erfasste und für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung repräsentative Betriebsgrößen zu Grunde gelegt.
Dabei können verschiedene Vergleichbarkeitskriterien mit unterschiedlicher Strenge angelegt werden. Besonders vorteilhaft – auf Grund der Einschränkung der zu verarbeitenden Messdaten – ist ein Vorgehen, gemäß welchem beim Prüfen (C) auf Vergleichbarkeit auf Vergleichbarkeit eines jeweiligen Stromspannungswertepaares mit einem Stromspannungsreferenzwertepaar erkannt wird, wenn ein Wert oder eine bestimmte Kombination von Werten einer oder mehrerer der zusätzlich erfassten und für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung repräsentativer Betriebsgrößen zum jeweiligen Stromspannungswertepaar von denen zum Stromspannungsreferenzwertepaar um nicht mehr als ein bestimmtes Maß abweichen, welches insbesondere jeweils 5 %, vorzugsweise jeweils 2 % und weiter vorzugsweise jeweils 1 % beträgt.
Grundsätzlich können sämtliche erfassten Messdaten der Prüfung auf Quasistationarität und Vergleichbarkeit unterzogen werden. Häufig ist es jedoch sinnvoll, wenn zusätzlich Daten erhoben werden.
Wie oben bereits erläutert wurde, stehen dabei Betriebszustände im Fokus, die mit hoher Wahrscheinlichkeit einen quasistationären Betriebszustand gewährleisten.
Zusätzlich oder alternativ ist es gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass beim Erfassen (A) des mindestens einen Stromspannungswertepaares die Brennstoffzellenanordnung stromgeführt betrieben wird, indem die Brennstoffzellenanordnung gesteuert als Leistungsquelle geschaltet und zum Übertragen elektrischer Leistung an einen Verbraucher und/oder an einen Energiespeicher, insbesondere einen Hochvoltspeicher, als Leistungssenke veranlasst wird.
Die zuletzt beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann von einem Benutzer einer zu Grunde liegenden Betriebsvorrichtung, z. B. eines Fahrzeuges, unbemerkt ausgeführt werden, z. B. immer dann, wenn für den Betrieb der zugrunde liegenden Betriebsvorrichtung Leistung nicht unbedingt abgerufen wird. Dies kann z. B. Startvorgänge, Leerlaufvorgänge oder Vorgänge betreffen, bei denen Betriebseinrichtungen mit abfallender Last, also abbremsend betrieben werden.
Auch die die Stromspannungsreferenzwertepaare könne auf vielfältige Weise bereitgestellt werden. So ist es bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass ein jeweiliges Stromspannungsreferenzwertepaar als Teil eines Referenzdatensatzes bereitgestellt wird, insbesondere eines Datensatzes aus einem oder aus mehreren Test- und/oder Prüfstandsläufen der Brennstoffzellenanordnung oder des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems und/oder zusammen mit entsprechenden Werten für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung repräsentativer Betriebsgrößen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems geschaffen, bei welchem der Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung bestimmt wird 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.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Steuereinheit, welche ausgebildet ist zum Steuern des Betriebs einer Brennstoffzellenanordnung (10) 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.
Letztlich kann die Steuereinheit insbesondere bei einer Betriebsvorrichtung und gerade bei einem Fahrzeug eingesetzt werden, welche von einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems betreibbar sind, wobei die Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere im Zusammenhang mit Computereinrichtungen oder digitalen Signalverarbeitungseinrichtungen realisieren. Demgemäß ist weiterhin Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammerzeugnis.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
1 ist ein Blockdiagramm, welches rein exemplarisch ein Brennstoffzellensystem zeigt, welches im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
2A und 2B zeigen in Diagrammen Beispiele von Stromspannungs- und Stromleistungskennlinien, wie sie bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können.
3 ist ein Diagramm, welches Prüfstandsdaten als Referenzdaten beschreibt.
4 ist ein Diagramm, welches die Auswahl vergleichbarer Daten aus einem Gesamtdatensatz mit Vergleichbarkeitskriterien aus 3 erläutert.
5 und 6 zeigen Diagramme, die die Auswahl mit Referenzdatensätzen vergleichbarer Datensätze aus einem Gesamtdatensatz illustrieren.
7 zeigt beispielhaft eine Stromspannungskennlinie einer Brennstoffzellenanordnung.
8 zeigt nach Art eines Diagramms den zeitlichen Verlauf der elektrischen Leistung einer Brennstoffzellenanordnung.
9 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges.
Die 1 bis 9 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.
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.
Dazu zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Brennstoffzellenanordnung 10.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 kann aus einer Mehrzahl von Einzelzellen bestehen. In diesem Zusammenhang wird die Brennstoffzellenanordnung 10 auch als Stack oder Brennstoffzellenstapel bezeichnet.
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.
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.
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.
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. 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. Weitere für den Betrieb notwendige Komponenten – z.B. Prozessgastanks oder dergleichen – sind zur Vereinfachung der Darstellung in 1 ebenfalls nicht explizit gezeigt.
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 den 2A und 2B 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.
Ausgangspunkt können dabei gemäß 2A 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im Stromleistungsdiagramm 80 der 2B ist ähnlich der Darstellung der 2A 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.
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.
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 – ggf. gewichtet – eine Tendenz erkennen lassen, die, gerade in zeitlicher Entwicklung, auf eine schleichende Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 hinweisen.
3 zeigt nach Art eines Stromdruckdiagrammes 40 den Verlauf des normierten Luftdruckes pLuft/pLuft_max auf der Kathodenseite 16 einer Brennstoffzellenanordnung 10 in Korrelation mit der normierten Stromdichte j/jmax, wie er sich aus einer Prüfstandserhebung mit Messpunkten 44 und der interpolierten Messkurve 43 ergibt. Auf der Abszisse 41 des Diagramms 40 ist der normierte Strom j/jmax aufgetragen, auf der Ordinate 42 der normierte Luftdruck pLuft/pLuft_max auf der Kathodenseite 16.
Über die Vergleichbarkeit der Drucke – und ggf. weiterer Betriebsparameter – beim Referenz- oder Prüfstandszenario gemäß 3 lässt sich dann aus dem Stromdruckdiagramm 60 gemäß 4 derjenige Teildatensatz 65 aus dem Gesamtdatensatz 64 herausfiltern, der in Bezug auf seine Einzeldaten eine Vergleichbarkeit mit den Referenz- oder Prüfstandsdaten aus 3 ermöglicht. Dieser ergibt sich aus der interpolierenden Kurve 63 mit den oberen und unteren Grenzkurven 63-1 und 63-2.
Auf der Abszisse 61 ist die normierte Stromdichte j/jmax aufgetragen, auf der Ordinate 62 der normierte Luftdruck pLuft/pLuft_max auf der Kathodenseite 16 gemäß 1.
In vergleichbarer Art und Weise sind die 5 und 6 miteinander zu bewerten.
Es zeigt 5 ein Stromspannungsdiagramm 90 mit Auftragung der normierten Stromdichte j/jmax auf der Abszisse 91 und mit Auftragung der normierten Stackspannung U/Umax auf der Ordinate 92.
Dargestellt sind wieder der Gesamtdatensatz 94 und der durch Vergleichbarkeits- und Stationaritätskriterien herausgefilterte Teildatensatz 95.
Der Bereich 97 aus 5 ist in 6 in einem Spannungszeitdiagramm mit Auftragung der Zeit t auf der Abszisse 111 und der normierten Spannung U/Umax auf der Ordinate 112 als Bereich 117 dargestellt.
7 zeigt ein Stromspannungsdiagramm 120 mit einer Stromspannungskennlinie 123 einer Brennstoffzellenanordnung 10, und zwar mit Auftragung der normierten Stromdichte j/jmax auf der Abszisse 121 und der normierten Stackspannung U/Umax auf der Ordinate 122. Wie unten weiter im Detail erläutert wird, ist diese Stromspannungskennlinie 123 aus einer Prüfstandssituation generiert und kann bei den erfindungsgemäßen Verfahren als Referenzdatensatz genutzt werden.
8 zeigt ein Zeit-Leistungs-Diagramm in einem Zeitraum zwischen zwei Zeitpunkten t1 und t2. Auf der Abszisse 131 ist die Zeit, auf der Ordinate die normierte Stackspannung U/Umax und/oder der normierte Stackstrom einer verwendeten Brennstoffzellenanordnung 10 aufgetragen.
Der Wert der normierten Leistung P/Pmax besitzt situativ starke Schwankungen. Zu erkennen sind aber die Bereiche 134, 135 und 136, bei welchen die der Leistung P, nämlich Stackstrom I und Stackspannung U den Kriterien der Quasistationarität genügen und daher – sofern auch Vergleichbarkeit mit Bedingungen zu Referenzdaten vorliegt – zur Ermittlung der Stackdegradation genutzt werden können.
9 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.
Das in 9 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.
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.
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.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit den folgenden Zusammenhängen weiter erläutert:
Für den Betrieb eines Systems 100 mit einer Brennstoffzellenanordnung 10 ist die momentan zu einem Zeitpunkt real zur Verfügung stehende elektrische Stackleistung P entscheidend. Diese wird im Zusammenhang mit aktuellen, realen Stackbetriebsbedingungen wie Partialdrucken p, Stack- und Gastemperaturen T und Stöchiometrie λ der Prozessgase 15-1, 16-1 ermittelt.
Erfindungsgemäß wird unter anderem eine Bestimmung der Stackleistung P und deren möglicher Degradation basierend auf von Stack-in-Fahrzeug-Daten und unter quasi-stationären und z.B. zu Prüfstandsszenarien oder zu eine BoL-/Komponentenausgangsprüfung (BoL: begin of life) vergleichbaren Betriebsbedingungen, die eine Bestimmung der Degradation der Stackspannung ermöglicht, vorgeschlagen.
Eine zuverlässige, genaue Bestimmung der Degradation der Stackspannung basierend auf im Fahrzeug generierten Messdaten ist herkömmlich bisher nicht möglich.
Grundlage für die Punktewolken der Messdatengesamtheiten 64 und 94 aus den 4 und 5 sind Messdaten von im Fahrzeug verbauten Sensoren, welche z.B. den Stackstrom I, die Stackspannung U sowie die Stackbetriebsparamter p, T, λ betreffen können und die on-board gespeichert werden, z.B. in einem Datenlogger oder später bereits ausgewertet direkt an einem Steuergerät.
Für die Bestimmung der Spannungsdegradation (µV/hr) sind Referenzpunkte z.B. in Form von Stromspannungswertepaaren des Stacks 10 erforderlich, die z.B. auch über der kalendarischen und/oder Betriebszeit aufgetragen werden, wie dies in 6 dargestellt ist.
Entscheidend dabei ist die Vergleichbarkeit der Stromspannungswertepaare des Stacks 10 mit Referenzpunkten, die nur gegeben ist, wenn sich Strom und Spannung des Stacks 10 in der Zeit quasistationär verhalten und die Stackbetriebsparameter, z.B. p, T, λ in einem mit der Referenzkurve vergleichbaren Wertebereich liegen.
Nur dann können die Messpunkte gemäß 6 zur Bestimmung der Stackspannungsdegradation genutzt werden.
Bestimmt werden diese Referenzbetriebsparamter aus Stromspannungskennlinien (BoL) vom Prüfstand oder aus End-of-Life-Messungen gemäß 3.
Wendet man diese Filtermethode für alle, die Stackleistung P signifikant beeinflussenden Betriebsparameter an, erhält man die Messpunkte mit vergleichbaren Betriebsbedingungen für ein bestimmtes Zeitintervall, z.B. innerhalb eines Tages, eines Prüflaufes oder einer Fahrt.
Auf Grund der starken Abhängigkeit der Stackleistung P von der Membranfeuchte muss zusätzlich zu den Betriebsparametern auch eine Mindesthistorie von z.B. 5 s bis 10 s bei den Messwerten von Strom und Spannung des Stacks 10 berücksichtigt werden.
Eine Vergleichbarkeit ist also nur dann gegeben, wenn sich der Stack 10 in einem quasistationären Zustand befindet und Strom I und Spannung U des Stacks 10 quasi konstant sind. Dann ist auch die Membranfeuchte konstant.
Die Membranfeuchte kann dabei über eine Impedanzmessung bestimmt oder mit Hilfe von Sensorwerten berechnet werden.
Ein vorteilhaftes Vorgehen bei der Bestimmung von Referenzpunkten – also von quasistationären Stromspannungswertepaaren bei vergleichbaren Betriebszuständen – kann folgende Aspekte beinhalten:
Als Basis dienen alle erfassten Stromspannungswertepaare gemäß 5. Diese werde zunächst auf quasistationäre Zustände, also auf Konstanz von Stackstrom I und Stackspannung U, und dann sukzessive mit den Referenzbetriebsbedingungen abgeglichen und somit reduziert. In 3 ist dies für den normierten Druck pLuft/pLuft_max des zweiten Prozessgases 16-1, der Luft, gezeigt.
Die Ermittlung der Referenzpunkte kann folgende Aspekte berücksichtigen:
Den größten Einfluss auf die Stackleistung P, also auf die Werte von Stackstrom I und Stackspannung U haben die Stacktemperatur T, Druck am Stack p (Luft und Wasserstoff) und die Sauerstoffstöchiometrie λ.
Als Datensatz hat man also U, I, p, T und λ. Nach diesen Parametern wird gefiltert wobei ein enges Intervall von ca. 5 % erforderlich ist, um aussagbare Stromspannungswertpaare zu ermitteln.
Das Auffinden von quasistationären Zuständen, in denen Stackstrom I und Stackspannung U für 5 s bis 10 s konstant sind, kann vorteilhaft erleichtert werden, wenn man zusätzliche, im Steuergerät vorhandene Informationen nutzt, welche die Chance auf konstante Betriebsbedingungen und Lastanforderung erhöhen.
Es bieten sich dabei an:

– das Ausklammern von Messdaten vor und nach Spül- oder Purgevorgängen (Anode und Kathode, im Betrieb, während Start- und Stoppprozedur),
– der Fokus auf Messdaten im Leerlauf- oder idle-Betrieb oder wenn Fahrzeugtempomat aktiv ist und
– der Fokus auf Betriebszustände, in denen von der Hybridbetriebsstategie konstant Leistung angefordert wird (Standladen, Systemaufheizung).

Ein vorteilhaftes Vorgehen bei der Erfassung von Referenzdaten können folgende Aspekte berücksichtigen:
Vor dem Einbau des Brennstoffzellensystems 100 (FCS) im Fahrzeug 1 wird eine Charakterisierung am Prüfstand durchgeführt. Dabei werden verschiedene Betriebspunkte eingestellt und die Spannung U am Stack 10 gemessen.
Ein Betriebspunkt ist u.a. definiert durch:

– den elektrischen Strom I durch den Stack 10, z.B. bezogen auf die aktive Fläche einer Zelle, also als Stromdichte,
– den absoluten Gasdruck am Eingang der Anode 11,
– den absoluten Gasdruck am Eingang der Kathode 12, z.B. gemessen am Ausgang eines Ladeluftkühlers,
– den Massenfluss der Luft durch die Kathode 12, z.B. gemessen am Eingang eines Kompressors,
– die Temperatur T des Stacks 10, z.B. angenähert durch die Messung der Temperatur des Kühlmittels am Stackausgang.

Diese Größen werden im FCS vom Steuergerät geregelt und sind hauptsächlich abhängig von der angeforderten Leistung. Wird eine konstante Leistung über längere Zeit, z.B. länger als 10 s, angefordert, so werden alle Betriebsbedingungen auf einen für den Stack 10 günstigen Wert eingeregelt und bewegen sich nur noch innerhalb enger Grenzen.
Bei der Charakterisierung des FCS am Prüfstand lassen sich die Betriebsbedingungen auf Grund der isolierten Umgebung genauer regeln, wodurch eine geringere Abweichung eingehalten werden kann.
Aus dieser Messung wird die für das FCS charakteristische Stromspannungskennlinie ermittelt, wie dies in 7 dargestellt ist.
Durch Bildung des arithmetischen Mittels wird für jeden Strommesswert ein Spannungsmesswert ermittelt. Für die gegebenen Betriebsbedingungen werden ebenfalls Mittelwerte gebildet sowie die maximale Abweichung der Messwerte von diesem Mittelwert berechnet. Bei ausreichend hoher Anzahl verschiedener Strompunkte können diese im Diagramm direkt miteinander verbunden und linear interpoliert werden, andernfalls kann eine Regressionsanalyse durchgeführt werden, wie dies in 3 gezeigt ist.
Zusammen mit der ermittelten Abweichung kann somit ein Band angegeben werden, in dem jeder Messwert liegen muss, um die Vergleichbarkeit der Punkte untereinander sicher zu stellen.
Anwendung auf Fahrzeugdaten:
Im Fahrzeug wird die Datenaufzeichnung gestartet, sobald die Zündung eingeschaltet ist. Die für die Ermittlung der Stackdegradation notwendigen Signale werden von Steuergeräten für die Regelung verwendet und z.B. auf einen CAN-Bus ausgegeben. Eine Signalaufbereitung (z.B. gleitender Mittelwert, Tiefpassfilter) ist deshalb nicht mehr notwendig. Außerdem nehmen die Signale einen definierten Wert an, wenn die Messung ungültig ist, z.B. wenn ein Sensor und/oder ein Steuergerät nicht bereit sind oder ein Wert nicht plausibel ist oder dergleichen.
Im Fahrzeug können zusätzlich verschiedene Modussignale zur Verfügung stehen, die angeben in welchem Zustand sich das FCS befindet.
Dabei können z.B. folgende Szenarien mit Modus- oder Statussignalen betrachtet werden, die mögliche Zustände beschreiben, die nicht betrachtet werden müssen. Diese sind z.B.:

– FCS ist ausgeschaltet, es fließt kein Strom durch den Stack,
– FCS wird abgeschaltet,
– FCS wird gestartet, der Stack kann Leistung abgeben,
– Signal ist ungültig, Steuergerät nicht im Betrieb,
– Aufwärmmodus: Spannung wird niedrig gehalten bei relativ hohem Strom, um hohe Wärmeverluste zu erzielen und den Stack auf Betriebstemperatur zu heizen. In diesem Modus sind Strom und Spannung für die Ermittlung der Degradation nicht aussagekräftig.

In der Datennachverarbeitung können Vektoren betrachtet werden, die Messwerte eines Signals zu verschiedenen Zeitpunkten enthalten. Bei einer Auswertung im Betrieb (z.B. am PST oder im Steuergerät) ist es denkbar, Vektoren mit den Werten verschiedener Signale zu einem Zeitpunkt oder einzelne Werte zu verarbeiten.
Auswertung in der Datennachverarbeitung
Die betrachteten Signale können mit verschiedenen Frequenzen aufgezeichnet werden. Um möglichst viele aussagekräftige Messpunkte zu erhalten, werden niederfrequent aufgezeichnete Signale (z.B. Temperatur) zwischen den Punkten linear interpoliert und in ein Signal mit höhere zeitlicher Auflösung umgewandelt (z.B. Zeitpunkte der Strommessungen). Die Annahme ist hierbei, dass die Aufzeichnungsraten so angepasst sind, dass zwischen zwei Messpunkten keine relevanten Ausschläge des Messwerts möglich sind. Der Vektor mit den Zeitpunkten z.B. der Stromaufzeichnung dient damit als Basis für alle weiteren Berechnungen.
Zunächst werden die Zeitpunkte ermittelt, in denen die Modussignale den für die Auswertung relevanten Wert haben (z.B. Normalbetrieb). Anschließend werden die Betriebsbedingungen in Abhängigkeit vom aktuellen Stromwert mit den am Prüfstand ermittelten Werten verglichen und für jedes Signal die relevanten Zeitpunkte bestimmt, wie dies z.B. in 4 gezeigt ist. Zur Minimierung der Rechenzeit wird der Zeitvektor sukzessive verkleinert.
Zusätzlich wird ermittelt in welchen Bereichen Stackstrom I und Stackspannung U einen stationären Zustand erreicht haben, d.h. Zeitbereiche in denen sich diese Messwerte in einem kleinen Band bewegen. Hierfür werden nur Zeitpunkte betrachtet in denen die Modussignale einen relevanten Wert haben, die Reduktion auf Bereiche in denen die Referenzbetriebsbedingungen erreicht sind ist nicht sinnvoll, da Strom oder Spannung bereits außerhalb dieser Bereiche einen stationären Zustand erreichen können. Zunächst wird der gleitende Mittelwert des Messwerts über zwei Sekunden gebildet um einen stabilen Referenzwert zu erhalten. Anschließend werden Zeitbereiche bestimmt, in denen der Messwert für mindestens eine erste Zeitspanne für die Stackspannung bzw. eine zweite Zeitspanne für den Stackstrom I weniger als eine bestimmte erste relative Abweichung für die Stackspannung U bzw. eine bestimmte zweite Abweichung für den Stackstrom I von diesem Mittelwert abweicht, wie dies in 8 gezeigt ist.
Ein vorteilhaftes Vorgehen wäre hier die Bestimmung eines Gütekriteriums und eine systematische Suche des besten Parametersatzes.
Aus allen somit bestimmten Zeitbereichen wird die Schnittmenge gebildet und die Spannungs- über den Strommesswerten in diesem Bereich aufgetragen. Ziel ist hierbei ein möglichst breites Intervall von Stromwerten zu erhalten bei möglichst monoton fallenden Spannungswerten, wie dies in 5 gezeigt ist. Diese Kurve, verglichen mit der am Prüfstand aufgezeichneten Strom-Spannungs-Kennlinie, charakterisiert den aktuellen Zustand des Stacks 10. Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse wird i.d.R. die mittlere Stromdichte über die aktive Fläche einer Zelle und die mittlere Spannung über die Zellen im Stack betrachtet.
Bestimmung der Degradation
Aus allen so ermittelten Stromspannungskennlinien werden einzelne Punkte extrahiert (z.B. bei 0,5 A/cm², 1,0 A/cm², 0,6 V) bzw. ggf. ein zwischen den nächsten Punkten interpolierter Wert berechnet. Diese Werte werden z.B. über der Laufzeit, Kalenderzeit oder der zurückgelegten Strecke aufgetragen, um eine Veränderung über der Zeit zu visualisieren, wie dies in 6 gezeigt ist.
Da mit dieser Methode nicht unterschieden werden kann, ob es sich bei Veränderungen um eine reversible, temporäre Degradation oder eine irreversible, dauerhafte Degradation handelt, ergibt sich eine relativ hohe Streuung der Messwerte. Dennoch ist bei genügend großer Anzahl an Punkten ein Trend erkennbar.
Über eine Regression, im einfachsten Fall eine Ausgleichsgerade über die Methode der kleinsten Quadrate, kann eine mittlere Degradationsrate angenähert werden. I.d.R. wird der mittlere Spannungsabfall bei einer bestimmten Stromdichte über der Laufzeit angegeben (µV/h).
Auswertung im Steuergerät
Während des Betriebs im Steuergerät empfiehlt sich die Betrachtung des aktuellen Wertes aller relevanten Signale jeweils in einer Regelperiode. Bei niederfrequent aufgezeichneten Signalen kann dabei angenommen werden, dass sich der aktuelle Wert im Vergleich zur letzten Aufzeichnung nicht signifikant verändert hat.
Wenn alle Werte der Modussignale und der Betriebsbedingungen im relevanten Bereich liegen, kann ein Zeitzähler gestartet werden. Dieser Zähler wird erhöht, so lange Strom und Spannung nicht signifikant (z.B. 2 %) vom vorherigen Wert abweichen und Betriebsbedingungen und Modussignale im gültigen Bereich liegen.
Wird eine Bedingung verletzt, wird der Zähler zurückgesetzt auf 0. Ist der Zählerwert größer oder gleich z.B. 10 s, werden Strom- und Spannungsmesswert mit der am Prüfstand aufgezeichneten Kennlinie verglichen und die aktuelle Degradation bestimmt.
Unklar ist dabei noch, ob es sich um eine reversible oder eine irreversible Degradation handelt. Um diese Unterscheidung zu treffen, müssen Werte über einen längeren Zeitraum (min. einige Tage) miteinander verglichen werden. Als erster Ansatz kann der Minimalwert als reversible und der Maximalwert als irreversible Degradation angenommen werden.
Folgende Vorteile stellen sich erfindungsgemäß ein:

– Stromspannungsmesspunkte des Brennstoffzellenstacks 10 als Kennlinie 73, 75 der Brennstoffzellenanordnung 10 unter definierten Betriebsbedingungen und quasi-stationären Zuständen lassen sich regelmäßig bestimmen.
– Eine genaue Stackspannungs- bzw. -leistungsdegradation lassen sich berechnen.
– Bestimmung von Serviceintervallen und/oder Zeitpunkt für Komponenten- oder Stacktausch vor Erreichen des EoL wird ermöglicht.
– Präventive Fehleridentifizierung und Verhindern oder Hinauszögern einer Stackleistungsdegradation wird ermöglicht.
– Aktuelle Stackleistungsfähigkeit unter Referenzbedingungen kann ermittelt werden.
– Voraussage der Stackleistung unter Zielbetriebsbedingungen bei Berücksichtigung der aktuellen Degradation wird ermöglicht.
– Anpassung einer Hybridstrategie an reale Spannungsdegradation wird ermöglicht, z.B. kann eine Spitzenlast während der Betriebszeit durch zusätzliche Batterien abgedeckt werden.
– Anpassung der Stackbetriebsbedingungen, z.B. durch Stöchiometrieerhöhung, während Betriebszeit auf Grund Degradation der Stackeigenschaften, z.B. Veränderung/Degradation von Komponenteneigenschaften, z.B. Gasdiffussionsschicht-(GDL)-Kollaps.

Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
10: Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenstack, FCS
11: Anodeneinheit
12: Kathodeneinheit
13: Kühleinheit
15: anodischer Bereich
15-1: erstes Prozessgas, Wasserstoffgas
16: kathodischer Bereich
16-1: zweites Prozessgas, Luft
16-2: Abgas, Abluft
20: Antriebseinheit
30: Pedaleinheit
31: Pedal
43: interpolierte Messkurve
44: Messpunkt
50: Steuereinheit
51: Steuerleitung
52: Steuerleitung
53: Steuerleitung
60: Zeit-Leistungs-Diagramm
61: Abszisse
62: Ordinate
63: Messkurve
64: Messpunkt, Wertepaar
65: Messpunkt, Wertepaar
66: Messpunkt, Wertepaar
70: Stromspannungsdiagramm
71: Abszisse
72: Ordinate
73: Stromspannungskennlinie, Stromspannungsreferenzkennlinie
74: Schwellenlinie
75: Stromspannungskennlinie
76: Stromspannungswertepaar, Messpunkt
77: Stromspannungsreferenzwertepaar, Messpunkt
80: Stromleistungsdiagramm
81: Abszisse
82: Ordinate
83: Stromleistungskennlinie, Stromleistungsreferenzkennlinie
84: Schwellenlinie
85: Stromleistungskennlinie
86: Messpunkt, Wertepaar
87: Stromleistungsreferenzwertepaar, Messpunkt
90: Stromspannungsdiagramm
91: Abszisse
92: Ordinate
94: Gesamtdatensatz
95: Teildatensatz
97: Bereich
100: Brennstoffzellensystem
101: Versorgungsleitung
102: Chassis
104: Rad
110: Zeit-Leistungs-Diagramm
111: Abszisse
112: Ordinate
117: Bereich
120: Stromspannungsdiagramm
121: Abszisse
122: Ordinate
123: Stromspannungskennlinie, Stromspannungsreferenzkennlinie
124: Stromspannungsreferenzwertepaar, Messpunkt

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung (10), mit den Schritten: (A) Erfassen mindestens eines Stromspannungswertepaares (76) der Brennstoffzellenanordnung (10) im strom-, spannungs- oder leistungsgeführten Betrieb, (B) Prüfen, ob ein jeweiliges Stromspannungswertepaar (76) einem quasistationären Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) entspringt, (C) beim Vorliegen von Quasistationarität Prüfen, ob Vergleichbarkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung (10) zu dem jeweiligen Stromspannungswertepaar (76) mit dem Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) zu mindestens einem Stromspannungsreferenzwertepaares (77) vorliegt, (D) beim Vorliegen von Vergleichbarkeit Bestimmen der von der Brennstoffzellenanordnung (10) abgegebenen elektrischen Leistung aus dem jeweiligen Stromspannungswertepaar (76), (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage einer Differenz der elektrischen Leistung zum jeweiligen Stromspannungswertepaar (76) und der von der Brennstoffzellenanordnung (10) abgegebenen elektrischen Leistung zum Stromspannungsreferenzwertepaar (77).
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens einen Stromspannungswertepaares (76) erfolgt (i) durch Messen des jeweiligen Stromspannungswertepaares (76) im strom-, spannungs- oder leistungsgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (10) und/oder (ii) durch Abrufen oder Auslesen – insbesondere für den normalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (10) ohnehin notwendiger – bereits gemessener Stromspannungswertepaare (76) aus dem stromgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (10), insbesondere aus einem Puffer- oder Historienspeicher.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens eines Stromspannungswertepaares (76) (i) wiederholt durchgeführt wird und/oder (ii) in Betriebszuständen der Brennstoffzellenanordnung (10), welche typsicherweise oder mit hoher Wahrscheinlich quasistationär sind, insbesondere in einem Leerlaufzustand, einem Zustand, bei welchem von der Brennstoffzellenanordnung (10) nach Art eines Tempomaten eine konstante elektrische Leistung abgerufen wird, oder dergleichen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) des mindestens einen Stromspannungswertepaares (76) für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) repräsentative Betriebsgrößen miterfasst werden, insbesondere (i) der Zeitpunkt der Erfassung, (ii) die Partialdrucke beteiligter Prozessgase, insbesondere ein Sauerstoffpartialdruck und/oder ein Wasserstoffpartialdruck, (iii) die Stack-/Systemtemperatur und/oder (iv) die Stöchiometrie der Prozessgase, insbesondere die Sauerstoff- bzw. Luftstöchiometrie und/oder das Verhältnis von elektrochemisch umgesetztem Sauerstoff zu zugeführter Sauerstoffmenge, jeweils in der Brennstoffzellenanordnung (10) oder in einer oder in mehreren Einzelzellen davon.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Prüfen (B) auf Quasistationarität auf Quasistationarität erkannt wird, – wenn die Werte des jeweiligen Stromspannungswertepaares (76) für eine jeweilige bestimmte Zeitspanne innerhalb eines jeweiligen Werteintervalls liegen und insbesondere – wenn: – der Wert der elektrischen Spannung des Stromspannungswertepaares (76) innerhalb einer bestimmten ersten Zeitspanne von nicht weniger als 5 s, vorzugsweise von nicht weniger als 10 s, um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und weiter vorzugsweise um weniger als 1 %, und – der Wert des elektrischen Stromes des Stromspannungswertepaares (76) innerhalb einer bestimmten ersten Zeitspanne von nicht weniger als 5 s, vorzugsweise von nicht weniger als 10 s, um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und weiter vorzugsweise um weniger als 1 %, variieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Prüfen (C) auf Vergleichbarkeit ein oder mehrere zusätzlich erfasste und für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) repräsentative Betriebsgrößen zu Grunde gelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem beim Prüfen (C) auf Vergleichbarkeit auf Vergleichbarkeit eines jeweiligen Stromspannungswertepaares (76) mit einem Stromspannungsreferenzwertepaar (77) erkannt wird, wenn ein Wert oder eine bestimmte Kombination von Werten einer oder mehrerer der zusätzlich erfassten und für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) repräsentativer Betriebsgrößen zum jeweiligen Stromspannungswertepaar (76) von denen zum Stromspannungsreferenzwertepaar (77) um nicht mehr als ein bestimmtes Maß abweichen, welches insbesondere jeweils 5 %, vorzugsweise jeweils 2 % und weiter vorzugsweise jeweils 1 % beträgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) des mindestens einen Stromspannungswertepaares (76) 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.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem ein jeweiliges Stromspannungsreferenzwertepaar (77) als Teil eines Referenzdatensatzes bereitgestellt wird, insbesondere eines Datensatzes aus ein oder mehreren Test- und/oder Prüfstandsläufen der Brennstoffzellenanordnung (10) oder des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems (100) und/oder zusammen mit entsprechenden Werten für den Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) repräsentativer Betriebsgrößen.
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 9 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.
Steuereinheit (50) zum Steuern des Betriebs einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), welche eingerichtet ist, ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 10 und/oder ein Verfahren zur Bestimmung des Degradationszustandes der Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.
Betriebsvorrichtung, insbesondere Fahrzeug (1), welche – von einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100) betreibbar ist und – eine Steuereinheit (50) nach Anspruch 11 zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung (10) aufweist.
Computerprogrammerzeugnis mit einem Programmcode, der eingerichtet ist, einen Computer oder eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.