DE102016111437A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10) dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, weist auf ein Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei einer vorgegebenen niedrigen Frequenz und einer vorgegebenen hohen Frequenz, ein Erhöhen einer Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt werden, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt (Z1) und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt (Z2), ein erneutes Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, und ein Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) verschmutzt ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei dem erneuten Messen gemessen wird, größer ist als der zweite kritische Punkt (Z2).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Technologie zum Erkennen einer Verschmutzung einer Brennstoffzelle und mehr ins Besondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, mittels Messens der Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei einer hohen Frequenz und einer niedrigen Frequenz.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzellenvorrichtung ist eine energieerzeugende Vorrichtung, die chemische Energie eines Kraftstoffs direkt in Elektrizität umwandelt. Eine Brennstoffzellenvorrichtung weist einen Brennstoffzellenstapel auf, der Elektrizität erzeugt, eine Kraftstoffzufuhreinheit, die den Brennstoffzellenstapel mit Kraftstoff (beispielsweise Wasserstoff) versorgt, eine Luftzufuhreinheit, die dem Brennstoffzellenstapel Luft (insbesondere Sauerstoff) zuführt, welche als Oxidationsmittel dient, welches benötigt wird, um eine elektrochemische Reaktion auszulösen, und eine Hitze-und-Wasser-Managementeinheit, die Hitze aus dem Brennstoffzellenstapel abführt und die die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert. Der Brennstoffzellenstapel produziert Elektrizität mittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff (Kraftstoff) und Sauerstoff (Luft) und erzeugt auch Nebenprodukte (Hitze und Wasser), die aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden müssen.
  • Ein Brennstoffzellenstapel, der in geeigneter Weise für ein Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird, weist viele einzelne Zellen auf, die in Reihe angeordnet sind. Jede einzelne Zelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (Membrane-Electrode Assembly; MEA) auf, die in der Mitte angeordnet ist. Eine MEA weist eine Elektrolyt-Membran auf, die Protonen durchlässt. Katalysatorschichten dienen als Kathode und Anode, an welchen Wasserstoff und Sauerstoff miteinander regieren, und sind auf entsprechenden Oberflächen der Elektrolyt-Membran angeordnet. Gasdiffusionsschichten (Gas Diffusion Layers; GDL) sind auf den Oberflächen der Katalysator-Schichten angeordnet. Separatoren mit entsprechenden Flussfeldern (Kanälen), durch welche Kraftstoff und Luft der Anode und der Kathode zugeführt werden, sind auf den Oberflächen der GDLs angeordnet. Endplatten sind an entsprechenden Enden jeder einzelnen Zelle angeordnet, um all diese Elemente fest miteinander zu verbinden.
  • Bei einem Brennstoffzellenstapel werden Wasserstoff und Sauerstoff durch chemische Reaktionen mittels der Katalysatorschichten ionisiert. Dann treten eine Oxidationsreaktion, so dass Protonen (Wasserstoffionen) und Elektroden an einer Kraftstoffelektrode erzeugt werden, welcher Wasserstoff zugeführt wird, und eine Reduktionsreaktion auf, welche Wasserstoffionen und Sauerstoffionen involviert, so dass Wasser an einer Luftelektrode produziert wird, welcher Luft zugeführt wird. Ein typischer Elektroden-Katalysator, der bei einer Brennstoffzelle verwendet wird, besteht aus einem Katalysatorträger, der aus einem Kohlenstoffmaterial wird, und aus einem Co-Katalysator hergestellt, so wie beispielsweise Ru, Co, Cu oder ähnlichem. Wasserstoff wird einer Anode (auf welche auch mit „Oxidationselektrode“ Bezug genommen wird) und Sauerstoff (Luft) wird einer Kathode (auf welche auch mit „Reduktionselektrode“ Bezug genommen wird) zugeführt. Der Wasserstoff, der der Anode zugeführt wird, wird in H+ Protonen und e– Elektronen aufgespalten mittels des Katalysators auf den Elektrodenschichten, die auf den entsprechenden Oberflächen der Elektrolyt-Membran angeordnet sind. Von den Protonen und Elektronen können selektiv nur die Protonen durch die Elektrolyt-Membran hindurchtreten, welche als Proton-Austausch-Membran bezeichnet wird, und können die Kathode erreichen, und die Elektronen bewegen sich durch die GDLs (leitfähige Schichten) und die Separatoren, um die Kathode zu erreichen.
  • Wasserstoffionen, die die Kathode durch die Elektrolyt-Membran erreichen, und Elektronen, die die Kathode durch die Separatoren erreichen, reagieren mit dem Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, welche der Kathode mittels der Luftzufuhreinheit zugeführt wird, wodurch Wasser produziert wird. Gleichzeitig bewirkt die Bewegung der Wasserstoffionen einen elektrischen Strom, der durch eine externe Leitung fließt, und zusätzlich zu dem Wasser wird begleitend Hitze als Nebenprodukt produziert.
  • Bei einer Brennstoffzellenvorrichtung verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels aufgrund verschiedener Ursachen. Deshalb wird eine Technologie zum Erkennen der Ursachen der Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels benötigt. Potentielle Ursachen für die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels schließen Überfluten (insbesondere Überschwemmen, Überlaufen und/oder ein „zu nass“ sein), Austrocknen (insbesondere ein „zu trocken“ sein) und Verschmutzen des Brennstoffzellenstapels ein.
  • Wenn beispielsweise die Ursache der Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels fälschlicherweise als Überfluten erkannt wird, wenn die tatsächliche Ursache die Verschmutzung des Brennstoffzellenstapels ist, wird eine Betriebssteuerung in Form eines Erhöhens einer Flussrate von Luft durchgeführt, um das Problem des Überflutens zu lösen, was eine Trockenheit des Brennstoffzellenstapels verschlimmert. Das heißt, dass keine geeignete Maßnahme ergriffen wird, wodurch das Problem des Brennstoffzellenstapels nicht gelöst wird und möglicherweise neue Probleme erzeugt werden. Deshalb ist es wichtig, akkurat und präzise einen Zustand eines Brennstoffzellenstapels zu diagnostizieren, um die Ursachen der Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, sodass geeignete Maßnahmen zum Lösen des Problems des Brennstoffzellenstapels ergriffen werden können, wenn bei der Brennstoffzellenvorrichtung ein Problem auftritt.
  • Das Vorhergehende ist lediglich dazu gedacht, ein Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Offenbarung zu unterstützen, und bedeutet nicht, dass die vorliegende Offenbarung im Bereich der verwandten Technik liegt, die den Fachmännern auf diesem Gebiet bereits bekannt ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG
  • Dementsprechend wurde die vorliegende Offenbarung unter Berücksichtigung der vorhergenannten Probleme, die bei der verwandten Technik auftreten, gemacht und die vorliegende Offenbarung ist dazu gedacht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, um eine Ursache einer Verschlechterung einer Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels zu erkennen mittels Messens einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei einer hohen Frequenz und einer niedrigen Frequenz.
  • Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, bereitgestellt, in anderen Worten: ein Verfahren zum Erkennen einer Verschmutzung eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren weist auf: Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei einer vorgegebenen niedrigen Frequenz und einer vorgegebenen hohen Frequenz; Erhöhen einer Menge eines Kraftstoffs oder eines Oxidationsmittels, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt, beispielsweise ein erster Schwellenwert, und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt, beispielsweise ein zweiter Schwellenwert; erneutes Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz; und Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel verschmutzt ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei der erneuten Messung gemessen wurde, höher ist als der zweite kritische Punkt.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erkennen aufweisen, dass der Brennstoffzellenstapel ausgetrocknet, insbesondere zu trocken, ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die in der Messung, insbesondere der ersten Messung, gemessen wird, höher ist als der erste kritische Punkt.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erkennen aufweisen, dass der Brennstoffzellenstapel normal ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei der Messung, insbesondere der ersten Messung, gemessen wird, niedriger ist als der erste kritische Punkt und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei der Messung, insbesondere der ersten Messung, gemessen wird, niedriger ist als der zweite kritische Punkt.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erkennen aufweisen, dass der Brennstoffzellenstapel überflutet ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei der erneuten Messung gemessen wird, kleiner ist als der zweite kritische Punkt.
  • Um die Aufgabe der Offenbarung zu lösen, wird gemäß einem anderen Aspekt ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei einer vorgegebenen niedrigen Frequenz und einer vorgegebenen hohen Frequenz; Erhöhen einer Menge an Kraftstoff oder an Oxidationsmittel, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, kleiner ist als ein erster kritischer Punkt, beispielsweise ein erster Schwellenwert, und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, größer ist als ein zweiter kritischer Punkt, beispielsweise ein zweiter Schwellenwert; Messen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels; und Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel verschmutzt ist, wenn die Ausgangsspannung, die bei dem Messen der Ausgangsspannung gemessen wird, nicht um einen vorgegebenen kritischen Spannungslevel gegenüber einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels, die ausgegeben wird unmittelbar bevor das Messen der Impedanz durchgeführt wird, erhöht ist.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erkennen aufweisen, dass der Brennstoffzellenstapel ausgetrocknet, insbesondere zu trocken, ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, größer ist als der erste kritische Punkt.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erkennen aufweisen, dass der Brennstoffzellenstapel normal ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, kleiner ist als der erste kritische Punkt und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz niedriger ist als der zweite kritische Punkt.
  • Das Verfahren kann ferner ein Erkennen aufweisen, dass der Brennstoffzellenstapel überflutet ist, wenn die Ausgangsspannung, die beim Messen der Ausgangsspannung gemessen wird, gegenüber der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels, die unmittelbar vor dem Durchführen des Messens der Impedanz ausgegeben wird, um den vorgegebenen kritischen Spannungslevel erhöht ist.
  • Um die Aufgabe der Offenbarung zu lösen, wird gemäß einem weiteren Aspekt eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Impedanzmesser, der die Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei einer vorgegebenen hohen Frequenz und einer vorgegebenen niedrigen Frequenz misst; und eine Steuereinheit, die den Zustand des Brennstoffzellenstapels diagnostiziert in Übereinstimmung mit der Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei der vorgegebenen hohen Frequenz und der Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, wobei die Impedanz mittels des Impedanzmessers gemessen wird, wobei die Steuereinheit die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz empfängt, wobei die Impedanz mit dem Impedanzmesser gemessen wird; wobei die Steuereinheit eine Betriebssteuerung in Form eines Erhöhens einer Menge an Kraftstoff oder an Oxidationsmittel, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, durchführt, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt; wobei die Steuereinheit die Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz empfängt nach dem Durchführen der Betriebssteuerung dahingehend, dass die Menge des Kraftstoffs oder des Oxidationsmittels erhöht wird, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, und die Steuereinheit erkennt, dass der Brennstoffzellenstapel verschmutzt ist, wenn die neu gemessene Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als der zweite kritische Punkt.
  • Um die Aufgabe der Offenbarung zu lösen, wird gemäß einem weiteren Aspekt eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Impedanzmesser, der eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels bei einer vorgegebenen hohen Frequenz und einer vorgegebenen niedrigen Frequenz misst; und eine Steuereinheit, die einen Zustand des Brennstoffzellenstapels in Übereinstimmung mit der Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und der vorgegebenen niedrigen Frequenz diagnostiziert; wobei die Steuereinheit die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz empfängt, wobei die Impedanz mittels des Impedanzmessers gemessen wird; wobei die Steuereinheit eine Betriebssteuerung in Form eines Erhöhens einer Menge an Kraftstoff oder an Oxidationsmittel durchführt, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt; wobei die Steuereinheit eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels empfängt, die mittels eines Spannungsmessers gemessen wird nach dem Durchführen der Betriebssteuerung des Erhöhens der Menge des Kraftstoffs oder des Oxidationsmittels, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird; und wobei die Steuereinheit erkennt, dass der Brennstoffzellenstapel verschmutzt ist, wenn die gemessene Ausgangsspannung nicht um einen vorgegebenen Spannungslevel erhöht ist gegenüber einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels, welche mittels des Spannungsmessers gemessen wird unmittelbar bevor die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz gemessen werden.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung haben die folgenden Vorteile.
  • Wenn eine Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels verschlechtert ist, ist es möglich, präzise und akkurat eine Ursache der Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, insbesondere wenn die Verschlechterung einer Verschmutzung des Brennstoffzellenstapels zuzurechnen ist, wodurch ein Nutzer sofort eine geeignete Maßnahme zum Lösen des Problems ergreifen kann.
  • Zusätzlich ist es möglich, zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel ungünstigen Bedingungen ausgesetzt wird, die ungeeigneten Maßnahmen zuzurechnen sind, die ergriffen werden könnten, wenn eine ungenaue Diagnose des Problems des Brennstoffzellenstapels erfolgt ist. Beispielsweise kann es der Fall sein, dass ein Brennstoffzellenstapel einem Überfluten unterliegt, aber bei einer Diagnose wird das Problem des Brennstoffzellenstapels fälschlicherweise als Austrocknen erkannt. In diesem Fall wird eine Betriebssteuerung in Form eines Verringerns einer Flussrate von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durchgeführt. Dies verschlimmert das Überfluten des Brennstoffzellenstapels, wodurch die Stabilität und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels verschlechtert wird. Andererseits kann es der Fall sein, dass ein Brennstoffzellenstapel einer Austrocknung unterliegt, aber der Brennstoffzellenstapel wird fälschlicherweise dahingehend diagnostiziert, dass er überflutet ist. In diesem Fall wird eine Betriebssteuerung in Form eines Erhöhens einer Flussrate von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durchgeführt. Dies intensiviert das Austrocknen des Brennstoffzellenstapels, wodurch kontinuierlich die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verschlechtert wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 2 und 3 sind Ablaufdiagramme, die je ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen;
  • 4A und 4B sind Graphen, die Messungen der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels zeigen, der eine Katalysatorschicht hat, die verschmutzt ist; und
  • 5 ist ein Graph, der Messungen der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in Übereinstimmung mit einer Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend werden mit Bezug zu den angehängten Zeichnungen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Bezugnehmend auf 1 kann die Vorrichtung zum Diagnostizieren aufweisen einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Spannungsmesser 11, der eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 detektiert, einen Impedanzmesser 12, der eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 misst, und eine Steuereinheit 13, die Informationen über die Impedanz und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 empfängt und einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 erkennt.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 kann ein Element sein, das Elektrizität mittels einer Oxidation-Reduktion-Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff produziert.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 kann eine Mehrzahl von einzelnen Zellen aufweisen, die in Reihe gestapelt sind. Jede einzelne Zelle kann eine Membran-Elektroden-Anordnung und Separatoren aufweisen. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann aus einer Elektrolyt-Membran, Katalysatorschichten und Gasdiffusionsschichten gebildet sein. Die Separatoren können auf den Oberflächen der entsprechenden Gasdiffusionsschichten angeordnet sein und können Flussgebiete aufweisen, durch welche Kraftstoff und Luft einer Kathode und einer Anode zugeführt werden und durch welche Wasser (welches als Nebenprodukt produziert wird) aus dem Brennstoffzellenstapel abgelassen werden kann.
  • Wasserstoff und Sauerstoff werden mittels chemischer Reaktionen an den Katalysatorschichten ionisiert. Dann treten Oxidationsreaktionen auf, so dass Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen an einer Elektrode produziert werden, welcher Wasserstoff zugeführt wird, und Reduktionsreaktionen treten auf, welche die Wasserstoffionen und die Sauerstoffionen involviert, so dass Wasser produziert wird, an einer Elektrode, welcher Luft zugeführt wird. Ein typischer Elektrodenkatalysator, der bei einer Brennstoffzelle verwendet wird, besteht aus einem Katalysatorträger, der aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet ist, und aus einem Co-Katalysator, wie Ru, Co, Cu oder ähnlichem. Wasserstoff wird der Anode zugeführt und Sauerstoff (Luft) wird der Kathode zugeführt. Wasserstoff, der der Anode zugeführt wird, wird in Protonen H+ und Elektronen e– aufgespalten mittels der Katalysatoren an den Elektrodenschichten, die auf den entsprechenden Oberflächen der Elektrolyt-Membran angeordnet sind. Von den Protonen und Elektronen können selektiv nur die Protonen durch die Elektrolyt-Membran, welche als Proton-Austausch-Membran bezeichnet wird, treten, so dass sie die Kathode erreichen. Während die Protonen sich durch die Elektrolyt-Membran bewegen, bewegen sich die Elektronen durch die Gasdiffusionsschichten (leitfähige Schichten) und Separatoren, so dass sie die Kathode erreichen.
  • Wasserstoffionen, die die Kathode durch die Elektrolyt-Membran erreichen, und Elektronen, die die Kathode durch die Separatoren erreichen, verbinden sich mit dem Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die der Kathode mittels einer Luftzufuhreinheit zugeführt wird, wodurch Wasser produziert wird. Gleichzeitig bewirkt eine Bewegung von Wasserstoffionen einen elektrischen Strom, der entlang einer externen Leitung fließt, und zusätzlich zu dem Wasser wird begleitend als Nebenprodukt Hitze produziert.
  • Die Vorrichtung zum Diagnostizieren gemäß einer vorliegenden Ausführungsform kann eine Vorrichtung zum Erkennen einer Verschmutzung der Katalysatorschichten einer einzelnen Zelle sein, die den Brennstoffzellenstapel 10 darstellt.
  • Der Impedanzmesser 12 kann ein Element sein, das die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10 misst. Der Impedanzmesser 12 kann auf verschiedene Arten konfiguriert sein. Beispielsweise kann der Impedanzmesser 12 ein Spannungssignal oder ein Stromsignal mit einer vorgegebenen Frequenz an eine einzelne Zelle, an eine einzelne Gruppe von Zellen, die eine vorgegebene Anzahl von einzelnen Zellen aufweist, oder an alle Zellen des Brennstoffzellenstapels 10 anlegen, einen Strom oder eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 bei der vorgegebenen Frequenz erfassen und eine Impedanz für jede Frequenzkomponente ermitteln.
  • Gemäß einer vorliegenden Ausführungsform kann die Impedanz, die mittels des Impedanzmessers 12 gemessen wird, eine Hochfrequenzimpedanz, welche die Impedanz des Brennstoffzellenstapels ist, wenn ein Spannungs- oder ein Stromsignal einer vorgegebenen hohen Frequenz angelegt wird, oder eine Niederfrequenzimpedanz sein, welche die Impedanz des Brennstoffzellenstapels ist, wenn ein Spannungs- oder Stromsignal einer vorgegebenen niedrigen Frequenz angelegt wird. Die Frequenzen des Spannungssignals, die für die Messung der Hochfrequenzimpedanz und der Niederfrequenzimpedanz verwendet werden, können abhängig von den Spezifikationen des Brennstoffzellenstapels variieren. Beispielsweise kann die hohe Frequenz 1000 Hz oder mehr sein und die niedrige Frequenz kann 10 Hz oder weniger sein.
  • Der Impedanzmesser 12 kann in Abhängigkeit einer Steuerung der Steuereinheit 13 betrieben werden.
  • Die Steuereinheit 13 kann den gesamten Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung steuern. Gemäß einer vorliegenden Ausführungsform kann die Steuereinheit 13 Informationen verarbeiten, die benötigt werden, um die Verschmutzung des Brennstoffzellenstapels 10 zu ermitteln, unter Verwendung der Informationen, die von dem Spannungsmesser 11 und dem Impedanzmesser 12 bereitgestellt werden, und kann andere Elemente der Brennstoffzellenvorrichtung steuern, sofern notwendig.
  • Die Steuereinheit 13 kann eine Mehrzahl von Zuständen des Brennstoffzellenstapels 10 erkennen abhängig von der Hochfrequenzimpedanz und der Niederfrequenzimpedanz, die mittels des Impedanzmessers 12 gemessen werden, der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10, die mittels des Spannungsmessers 11 gemessen wird, und Änderungen derselben.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, beschrieben, welches in der Vorrichtung zum Diagnostizieren ausgeführt wird, die im Vorhergehenden beschrieben wurde. Die Betriebsweise der Vorrichtung zum Diagnostizieren wird besser verstanden mit Bezug zu dem Verfahren zum Diagnostizieren, welches nachfolgend beschrieben wird.
  • 2 und 3 sind Ablaufdiagramme, die ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Zunächst kann die Steuereinheit 13 in einem Schritt S11 eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 von dem Spannungsmesser 11 empfangen und kann in einem Schritt S12 abhängig von der empfangenen Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 erkennen, ob es notwendig ist, den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zu diagnostizieren. Der Steuereinheit 13 kann ferner ein Stromwert zugeführt werden, der mittels eines Strommessers 14 gemessen wurde, der den Strom misst, der von einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 einer Last zugeführt wird. D.h., die Steuereinheit 13 kann die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 empfangen und kann in dem Schritt S12 erkennen, ob die Ausgangsspannung, die zu dem Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 korrespondiert, niedriger ist als eine vorgegebene Referenzspannung V1.
  • Als nächstes kann die Steuereinheit 13 in einem Schritt S13 den Impedanzmesser 12 instruieren, die Impedanz (Hochfrequenzimpedanz und Niederfrequenzimpedanz) des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist als die vorgegebene Referenzspannung V1 und die Hochfrequenzimpedanz und die Niederfrequenzimpedanz, die mittels des Impedanzmesser 12 gemessen wurden, empfangen.
  • Als nächstes kann die Steuereinheit 13 in einem Schritt S14 und in einem Schritt S15 die Hochfrequenzimpedanz bzw. die Niederfrequenzimpedanz, die mittels des Impedanzmessers 12 gemessen wurden, mit einem vorgegebenen ersten kritischen Punkt Z1 bzw. einem vorgegebenen zweiten kritischen Punkt Z2 vergleichen. Die Steuereinheit 13 kann in einem Schritt S15 eine Menge an Kraftstoff oder an Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden, erhöhen, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 zu erhöhen, wenn die Hochfrequenzimpedanz größer ist als der erste kritische Punkt Z1 und wenn die Niederfrequenzimpedanz größer ist als der zweite kritische Punkt Z2. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 13 ein Spülventil 15 an einer Rest-Wasserstoff-Rückführleitung öffnen, um die Menge an Wasserstoff, was der Kraftstoff der Brennstoffzellenvorrichtung ist, zu erhöhen oder kann einen Betrieb einer Zirkulationspumpe 16 verstärken, welche übrigen Wasserstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 rückführt. Zusätzlich kann die Steuereinheit 13 einen Betrieb eines Gebläses 17 (einer Luftzufuhreinheit) verstärken, um eine Menge an Luft (Oxidationsmittel) zu erhöhen, welche dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird.
  • Die Steuereinheit 13 kann in einem Schritt S17 erneut den Impedanzmesser 12 instruieren, die Niederfrequenzimpedanz des Brennstoffzellenstapels zu messen, nachdem eine vorgegebene Zeitdauer abgelaufen ist und kann in einem Schritt S18 die Niederfrequenzimpedanz, die erneut mittels des Impedanzmessers 12 gemessen wurde, mit dem zweiten kritischen Punkt Z2 vergleichen.
  • Wenn das Vergleichsergebnis in dem Schritt S18 zeigt, dass die Niederfrequenzimpedanz des Brennstoffzellenstapels 10 nicht abgenommen hat, sondern immer noch höher ist, als der zweite kritische Punkt Z2, kann die Steuereinheit 13 erkennen, dass eine Verringerung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels in der Verschmutzung des Brennstoffzellenstapels 10 begründet ist.
  • Diese Erkennung der Steuereinheit 13 kann auf einer Verbindung zwischen Charakteristiken der Hochfrequenzimpedanz und der Niederfrequenzimpedanz eines Brennstoffzellenstapels und der Verschmutzung des Brennstoffzellenstapels basieren.
  • 4A und 4B zeigen Messungen der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels, wenn eine Katalysatorschicht des Brennstoffzellenstapels verschmutzt ist, und 5 zeigt Messungen der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in Übereinstimmung mit einer Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenstapel.
  • Insbesondere zeigen die 4A und 4B Veränderungen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels abhängig von Graden einer CO-Verschmutzung einer Katalysatorschicht des Brennstoffzellenstapels. Wie in den 4A und 4B dargestellt, wenn eine Katalysatorschicht eines Brennstoffzellenstapels sehr verschmutzt ist, kann es sein, dass die Niederfrequenzimpedanz abnimmt. Es kann jedoch sein, dass sich die Hochfrequenzimpedanz abhängig von dem Grad der Verschmutzung der Katalysatorschicht nicht ändert.
  • Mit Bezug zu 5 wird festgestellt, dass die Niederfrequenzimpedanz dramatisch zunimmt, wenn ein Grad einer Überflutung in dem Brennstoffzellenstapel intensiviert wird.
  • Bezugnehmend auf die 4A, 4B und 5 kann es sein, dass die Niederfrequenzimpedanz zunimmt, wenn die Verschmutzung oder die Überflutung zunehmen. Das Verschmutzungsproblem eines Brennstoffzellenstapels kann nicht gelöst werden mittels einer Maßnahme, bei der Kraftstoff oder Oxidationsmittel zugeführt werden, aber das Überflutungsproblem kann mittels der Maßnahme des Erhöhens der Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, gelöst werden, weil der zugeführte Kraftstoff oder das Oxidationsmittel Wasser oder Feuchtigkeit entfernen. Deshalb, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn die Niederfrequenzimpedanz des Brennstoffzellenstapels 10 höher als ein vorgegebener Level ist, kann die Steuereinheit 13 in einem Schritt S16 eine Betriebssteuerung dahingehend durchführen, dass mehr Kraftstoff oder Oxidationsmittel zugeführt werden, um das Überflutungsproblem zu lösen. D.h., die Steuereinheit 13 kann die Zufuhr von Wasserstoff oder Luft erhöhen. Wenn die Niederfrequenzimpedanz des Brennstoffzellenstapels 10 in Folge dieser Betriebssteuerung abnimmt, kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Schritt S181 dahingehend diagnostiziert werden, dass dieser nicht verschmutzt ist (bzw. vorher überflutet war). Jedoch, wenn die Niederfrequenzimpedanz des Brennstoffzellenstapels 10 immer noch hoch ist, auch nach der Betriebssteuerung durch die Steuereinheit 13, kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Schritt S19 dahingehend diagnostiziert werden, dass er verschmutzt ist.
  • 3 zeigt ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, gemäß einer anderen Ausführungsform.
  • Die Ausführungsform gemäß 3 ist bezüglich der Schritte S11 bis S16 im Wesentlichen die gleiche wie die Ausführungsform gemäß 2, aber ist dahingehend unterschiedlich, dass die Steuereinheit 13 einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 diagnostizieren kann unter Verwendung eines Ergebnisses eines Erfassens einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 nach dem Durchführen einer Betriebssteuerung dahingehend, dass eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 in Schritt S16 erhöht wird.
  • In Übereinstimmung mit der Ausführungsform gemäß 3, wenn eine vorgegebene Zeitdauer vergangen ist nach der Betriebssteuerung dahingehend, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht wird (Schritt S16), kann die Steuereinheit 13 in den Schritten S21 und S22 die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10, welche von dem Spannungsmesser 11 gesendet wurde, mit einem vorgegebenen kritischen Level vergleichen und kann in Schritt S23 den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 dahingehend diagnostizieren, dass dieser verschmutzt ist, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 nicht so weit erhöht ist, dass sie den kritischen Level überschreitet. Dies basiert auf der Idee, dass mittels der Betriebssteuerung in Schritt S16 der Grad der Überflutung verringert werden kann und die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht werden kann, wenn die Verringerung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 in der Überflutung des Brennstoffzellenstapels 10 begründet ist. Deshalb, wenn die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 derart erhöht ist, dass sie den vorgegebenen kritischen Level in Schritt S18 überschreitet, kann die Steuereinheit 13 erkennen, dass die Verringerung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 in der Überflutung begründet ist.
  • Bei den Ausführungsformen gemäß den 2 und 3, wenn in Schritt S14 erkannt wird, dass die Hochfrequenzimpedanz größer ist als der erste kritische Punkt Z1, kann die Steuereinheit 13 erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel 10 ausgetrocknet ist (Schritte S141). Wenn erkannt wird, dass die Hochfrequenzimpedanz kleiner ist als der erste kritische Punkt Z1 (S14) und erkannt wird, dass die Niederfrequenzimpedanz kleiner ist als der zweite kritische Punkt Z2 (S15), kann die Steuereinheit 13 im Schritt S151 erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel 10 normal ist.
  • Das Verfahren und die Vorrichtung zum Diagnostizieren gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können präzise und akkurat die Ursache der Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels erkennen und ermöglichen daher, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um die Probleme zu beheben.
  • Die vorliegende Offenbarung bewahrt einen Brennstoffzellenstapel davor, unter Problemen zu leiden, die von ungeeigneten Maßnahmen resultieren, die ergriffen werden können, wenn eine nicht akkurate Diagnose eines Zustands des Brennstoffzellenstapels gemacht wird. Wenn beispielsweise eine falsche Diagnose dahingehend gemacht wird, dass die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels in einem Austrocknen des Brennstoffzellenstapels begründet ist, obwohl die tatsächliche Ursache der Verschlechterung ein Überfluten ist, wird eine Betriebssteuerung dahingehend durchgeführt, dass eine Flussrate der Luft verringert wird und dadurch wird die Stabilität und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels verschlechtert. Die vorliegende Offenbarung kann eine derartige falsche Diagnose verhindern, wodurch verhindert wird, dass sich die Stabilität und die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels verschlechtern. Andersherum, wenn eine falsche Diagnose dahingehend durchgeführt wird, dass die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels in einem Überfluten in dem Brennstoffzellenstapel begründet ist, obwohl die tatsächliche Ursache der Verschlechterung ein Austrocknen ist, kann eine Betriebssteuerung dahingehend durchgeführt werden, dass eine Flussrate der Luft erhöht wird und die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels wird kontinuierlich verschlechtert. Die vorliegende Offenbarung verhindert solche falsche Diagnosen, wodurch verhindert wird, dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels sich kontinuierlich verschlechtert.
  • Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zum Zwecke der Illustration beschrieben wurden, werden die Fachmänner auf diesem Gebiet erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und dem Geist der Offenbarung, wie sie in den angehängten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10) dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, aufweisend: Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei einer vorgegebenen niedrigen Frequenz und einer vorgegebenen hohen Frequenz; Erhöhen einer Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt wird, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt (Z1) und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt (Z2); erneutes Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz; und Erkennen dass der Brennstoffzellenstapel (10) verschmutzt ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei dem erneuten Messen gemessen wird, größer ist als der zweite kritische Punkt (Z2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) ausgetrocknet ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei dem Messen gemessen wird, größer ist als der erste kritische Punkt (Z1).
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner aufweisend: Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) normal ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei dem Messen gemessen wird, kleiner ist als der erste kritische Punkt (Z1) und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei dem Messen gemessen wird, kleiner ist als der zweite kritische Punkt (Z2).
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner aufweisend: Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) überflutet ist, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei dem erneuten Messen gemessen wird, kleiner ist als der zweite kritische Punkt (Z2).
  5. Verfahren zum Diagnostizieren eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels (10) dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, aufweisend: Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei einer vorgegebenen niedrigen Frequenz und einer vorgegebenen hohen Frequenz; Erhöhen einer Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt werden, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, kleiner ist als ein erster kritischer Punkt (Z1) und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, größer ist als ein zweiter kritischer Punkt (Z2); Messen einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels (14); und Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) verschmutzt ist, wenn die Ausgangsspannung, die bei dem Messen der Ausgangsspannung gemessen wird, nicht um einen vorgegebenen kritischen Spannungslevel erhöht ist gegenüber einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels (10), die ausgegeben wird, unmittelbar bevor das Messen der Impedanz durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend: Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) ausgetrocknet ist, wenn die Impedanz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, bei der vorgegebenen hohen Frequenz größer ist als der erste kritische Punkt (Z1).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner aufweisend: Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) normal ist, wenn die Impedanz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als der erste kritische Punkt (Z1) und die Impedanz, die bei dem Messen der Impedanz gemessen wird, bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz kleiner ist als der zweite kritische Punkt (Z2).
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner aufweisend: Erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel (10) überflutet ist, wenn die Ausgangsspannung, die bei dem Messen der Ausgangsspannung gemessen wird, um den vorgegebenen kritischen Spannungslevel erhöht ist gegenüber der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels (10) die ausgegeben wird, unmittelbar bevor das Messen der Impedanz durchgeführt wird.
  9. Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10) dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, die Vorrichtung aufweisend: einen Impedanzmesser (12), der eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei einer vorgegebenen hohen Frequenz und einer vorgegebenen niedrigen Frequenz misst; und eine Steuereinheit (13), die den Zustand des Brennstoffzellenstapels (10) abhängig von der Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei der vorgegebenen hohen Frequenz und der Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz diagnostiziert, wobei die Impedanz mittels des Impedanzmessers (12) gemessen wird, wobei die Steuereinheit (13) die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz empfängt, wobei die Impedanz mittels des Impedanzmessers 12 gemessen wird, wobei die Steuereinheit (13) eine Betriebssteuerung dahingehend durchführt, dass eine Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel erhöht wird, die dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt wird, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt (Z1) und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt (Z2), wobei die Steuereinheit (13) die Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz empfängt, nachdem die Betriebssteuerung dahingehend durchgeführt wurde, dass die Menge des Kraftstoffs oder des Oxidationsmittels, die dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt werden, durchgeführt wurde, und wobei die Steuereinheit (13) erkennt, dass der Brennstoffzellenstapel (10) verschmutzt ist, wenn die erneut gemessene Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als der zweite kritische Punkt (Z2).
  10. Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Zustands eines Brennstoffzellenstapels (10) dahingehend, dass dieser verschmutzt ist, die Vorrichtung aufweisend: einen Impedanzmesser (12) zum Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels (10) bei einer vorgegebenen hohen Frequenz und einer vorgegebenen niedrigen Frequenz; und eine Steuereinheit (13) zum Diagnostizieren eines Zustands des Brennstoffzellenstapels (10) abhängig von der Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und der Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz, wobei die Steuereinheit (13) die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz empfängt, wobei die Impedanz mittels des Impedanzmessers (12) gemessen wird, wobei die Steuereinheit (13) eine Betriebssteuerung dahingehend durchführt, dass eine Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt werden, erhöht wird, wenn die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz kleiner ist als ein erster kritischer Punkt (Z1) und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz größer ist als ein zweiter kritischer Punkt (Z2), wobei die Steuereinheit (13) eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels (10) empfängt, die mittels eines Spannungsmessers (11) gemessen wird, nachdem die Betriebssteuerung dahingehend durchgeführt wird, dass die Menge an Kraftstoff oder Oxidationsmittel, die der Brennstoffzellenstapel (10) zugeführt wird, erhöht wird, und wobei die Steuereinheit (13) erkennt, dass der Brennstoffzellenstapel (10) verschmutzt ist, wenn die gemessene Ausgangsspannung nicht um einen vorgegebenen kritischen Spannungslevel gegenüber einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels (10) erhöht ist, die mittels des Spannungsmessers (11) gemessen wird, unmittelbar bevor die Impedanz bei der vorgegebenen hohen Frequenz und die Impedanz bei der vorgegebenen niedrigen Frequenz gemessen wird.
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