DE102018218086A1 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einer Stapelanordnung (110), die mehrere Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) umfasst, welche selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei Leistungsdaten jedes einzelnen in der Stapelanordnung (110) vorhandenen Brennstoffzellenstapels (102, 104, 106) erfasst werden, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Bestimmen eines Degradationsgrades jedes einzelnen in der Stapelanordnung (110) vorhandenen Brennstoffzellenstapels (102, 104, 106) anhand der erfassten Leistungsdaten, und
- beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung, Aktivieren desjenigen inaktiven Brennstoffzellenstapels (102, 104, 106), der den geringsten Degradationsgrad aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (100).

Figure DE102018218086A1_0000
The invention relates to a method for operating a fuel cell system (100) with a stack arrangement (110), which comprises a plurality of fuel cell stacks (102, 104, 106), which can be selectively activated and / or deactivated, with performance data of each one in the stack arrangement (110). existing fuel cell stack (102, 104, 106) are detected, characterized by the steps:
- Determining a degree of degradation of each individual fuel cell stack (102, 104, 106) present in the stack arrangement (110) on the basis of the recorded performance data, and
- upon detection of an increased load requirement, activation of the inactive fuel cell stack (102, 104, 106) that has the lowest degree of degradation.
The invention also relates to a fuel cell system (100).
Figure DE102018218086A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Stapelanordnung, die mehrere Brennstoffzellenstapel umfasst, welche selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei Leistungsdaten jedes einzelnen in der Stapelanordnung vorhandenen Brennstoffzellenstapels erfasst werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem mit einer mehrere Brennstoffzellenstapel umfassenden Stapelanordnung.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a stack arrangement which comprises a plurality of fuel cell stacks which can be selectively activated and / or deactivated, wherein performance data of each individual fuel cell stack present in the stack arrangement are recorded. The invention further relates to a fuel cell system with a stack arrangement comprising several fuel cell stacks.

Ein Brennstoffzellensystem wird benutzt, um kontrolliert einen geeigneten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, mit Sauerstoff, in der Regel bereitgestellt aus der Luft, reagieren zu lassen und in einer elektrochemischen Reaktion Elektrizität zu erzeugen. Dabei sind inzwischen Brennstoffzellensysteme bekannt, die mit mehreren Brennstoffzellenstapeln gebildet sind, wobei jeder Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst. Brennstoffzellensysteme mit mehreren Brennstoffzellenstapeln können gewöhnlich nicht einzeln deaktiviert werden und werden im Verbund betrieben oder deaktiviert.A fuel cell system is used to control a suitable fuel, in particular hydrogen, react with oxygen, usually provided from the air, and to generate electricity in an electrochemical reaction. Fuel cell systems are now known which are formed with a plurality of fuel cell stacks, each fuel cell stack comprising a plurality of combined fuel cells. Fuel cell systems with multiple fuel cell stacks cannot usually be deactivated individually and are operated or deactivated in a network.

In der US 2009/0305087 A1 sind ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das eine Mehrzahl an parallel geschalteter Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei jedes Modul entsprechend der Lastanforderung zu- oder abgeschaltet, mithin aktiviert oder deaktiviert werden kann.In the US 2009/0305087 A1 describes a method and a fuel cell system which has a plurality of fuel cell stacks connected in parallel, each module being able to be switched on or off in accordance with the load requirement, and consequently being activated or deactivated.

In der WO 2005/041339 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das ebenfalls eine Mehrzahl an Brennstoffzellenstapel umfasst, wobei jedem Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl an Sensoren zugewiesen ist, um in einem Regelkreis den Druck, die Temperatur, die Feuchtigkeit den Stromfluss und die Spannung zu regeln.In the WO 2005/041339 A1 describes a fuel cell system which also comprises a plurality of fuel cell stacks, a plurality of sensors being assigned to each fuel cell stack in order to regulate the pressure, the temperature, the humidity, the current flow and the voltage in a control loop.

Die Einflussnahme auf einzelne Brennstoffzellenstapel der Stapelanordnung ist gering und eine Erhöhung des Wirkungsgrades vor allem bei einer geringen Leistungsanforderung ist häufig nicht zuverlässig möglich.The influence on individual fuel cell stacks in the stack arrangement is small and an increase in efficiency, especially when the power requirement is low, is often not reliably possible.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide a method and a fuel cell system which take into account the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with a method for operating a fuel cell system with the features of claim 1 and with a fuel cell system with the features of claim 10. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:

  • - Bestimmen eines Degradationsgrades jedes einzelnen in der Stapelanordnung vorhandenen Brennstoffzellenstapels anhand der erfassten Leistungsdaten, und
  • - beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung, Aktivieren desjenigen inaktiven Brennstoffzellenstapels, der den geringsten Degradationsgrad aufweist.
The method according to the invention is characterized in particular by the following steps:
  • - Determining a degree of degradation of each individual fuel cell stack present in the stack arrangement on the basis of the recorded performance data, and
  • - When detecting an increased load requirement, activating the inactive fuel cell stack that has the lowest degree of degradation.

Somit werden also im Betrieb der Brennstoffzellenstapel laufend Kennwerte diagnostiziert, die Rückschlüsse auf den Alterungszustand des jeweiligen Brennstoffzellenstapels erlauben. Alterungs- oder Degradationseffekte können beispielsweise entstehen durch eine Kohlenstoffkorrosion des Katalysators bzw. seines Trägermaterials, insbesondere dann, wenn die Bedingungen für einen Luft-Luftstart vorliegen, also Luft sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig bei den Brennstoffzellen des betreffenden Brennstoffzellenstapels vorliegt. Zudem kann ein reversibler Alterungseffekt aufgrund der Oxidation des Platin oder ein irreversibler Alterungseffekt durch vollständigen Verlust des Platin in den Katalysatoren auftreten. Durch die Bestimmung der einzelnen Degradationsgrade und durch die selektive Aktivierung oder dem selektiven Zuschalten desjenigen Brennstoffzellenstapels mit dem geringsten Degradationsgrad im Falle einer erhöhten Lastanforderung lässt sich ein möglichst gleichmäßiges Altern der Stapelanordnung, mithin der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erreichen.Thus, during operation of the fuel cell stack, characteristic values are continuously diagnosed, which allow conclusions to be drawn about the aging condition of the respective fuel cell stack. Aging or degradation effects can arise, for example, from carbon corrosion of the catalyst or its support material, in particular if the conditions for an air-air start are present, that is to say air is present both on the anode side and on the cathode side in the fuel cells of the fuel cell stack in question. In addition, a reversible aging effect due to the oxidation of the platinum or an irreversible aging effect due to complete loss of the platinum in the catalysts can occur. By determining the individual degrees of degradation and by selectively activating or selectively switching on the fuel cell stack with the lowest degree of degradation in the event of an increased load requirement, the stack arrangement, and thus the fuel cell stack of the fuel cell system, can be aged as uniformly as possible.

Liegt eine sehr hohe Lastanforderung vor, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass beim Detektieren einer solchen gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.If there is a very high load requirement, it has proven to be advantageous that when such an increased load requirement is detected, those inactive fuel cell stacks are activated one after the other in an order with increasing degree of degradation, until the active fuel cell stack provides a power that meets the increased load requirement becomes.

Eine weitergehende gleichmäßigere Alterung des gesamten Brennstoffzellensystems lässt sich dadurch erzielen, dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung der aktive Brennstoffzellenstapel deaktiviert wird, der den höchsten Degradationsgrad aufweist. Auch hierdurch ist gewährleistet, dass eine verlängerte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems aufgrund des Abschaltens des mit dem größten Degradationsgrad oder der größten Alterung versehenen Brennstoffzellenstapels erreicht ist.A more uniform aging of the entire fuel cell system can be achieved by deactivating the active fuel cell stack, which has the highest degree of degradation, when a reduced load requirement is detected. This also ensures that an extended service life of the fuel cell system is achieved due to the switching off of the fuel cell stack provided with the greatest degree of degradation or the greatest aging.

Bei einer doch deutlicheren Verringerung der Lastanforderung hat es sich als sinnvoll herausgestellt, wenn beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird. Auch diese Ausgestaltung führt zu einer Verbesserung oder Erhöhung der Effizienz des Brennstoffzellensystems.In the event of a clear reduction in the load requirement, it has proven to be useful if a reduced one is detected Load request those active fuel cell stacks are deactivated one after the other in a sequence with decreasing degree of degradation, until the still active fuel cell stack provides a service that meets the reduced load request. This configuration also leads to an improvement or increase in the efficiency of the fuel cell system.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn jeder der Brennstoffzellenstapel mit mindestens einem weiteren Konstituent zu einem Brennstoffzellensubsystem zusammengefasst ist, wobei die Leistungsdaten des mindestens einen weiteren Konstituenten ebenfalls erfasst werden, wobei anhand aller erfasster Leistungsdaten ein Subsystemsdegradationsgrad bestimmt wird, und wobei beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung, dasjenige Brennstoffzellensubsystem zuerst aktiviert wird, das den geringsten Subsystemsdegradationsgrad aufweist. Somit kann also nicht nur ein Alterungsindex für den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems erfasst werden, sondern auch für weitere Konstituenten, die mit dem betreffenden Brennstoffzellenstapel wechselwirken. Als Konstituenten kommen beispielsweise ein Rezirkulationsgebläse, eine Kühlmittelpumpe, ein Verdichter, ein Befeuchter, ein Ladeluftkühler oder dergleichen in Betracht.In an advantageous embodiment, it has proven to be useful if each of the fuel cell stacks is combined with at least one further constituent to form a fuel cell subsystem, the performance data of the at least one further constituent also being recorded, with a degree of subsystem degradation being determined on the basis of all recorded performance data, and wherein upon detection of an increased load requirement, the fuel cell subsystem that has the lowest degree of subsystem degradation is activated first. Thus, not only can an aging index be recorded for the fuel cell stack of the fuel cell system, but also for other constituents that interact with the fuel cell stack in question. A recirculation blower, a coolant pump, a compressor, a humidifier, a charge air cooler or the like can be considered as constituents.

Um wiederum eine gleichmäßigere Alterung des gesamten Brennstoffzellensystems, welches mit Brennstoffzellensubsystemen gebildet ist, herbeizuführen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung, dasjenige Brennstoffzellensubsystem zuerst deaktiviert wird, das den größten Subsystemsdegradationsgrad aufweist.In order in turn to bring about a more uniform aging of the entire fuel cell system, which is formed with fuel cell subsystems, it has proven to be advantageous if, when detecting a reduced load requirement, the fuel cell subsystem that has the greatest degree of subsystem degradation is deactivated first.

In einer Weitergestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens einer der inaktiven Brennstoffzellenstapel zur Reduzierung reversibler Alterungseffekte aufbereitet wird, insbesondere unter Verringerung seines Degradationsgrads. Somit können also während der inaktiven Phase die Brennstoffzellenstapel einer Recovery-Strategie unterzogen werden, insbesondere also reversible Alterungseffekte bei den inaktiven Brennstoffzellenstapel reduziert oder beseitigt werden. Beispielsweise kann eine Sauerstoffverarmung Kathodenseitig vorgenommen werden unter Aufrechterhaltung des Stromflusses über einer vorgegebenen oder vorgebbaren Mindeststromstärke für eine vorgegebene Zeitdauer. Dies führt dazu, dass das Spannungspotential der einzelnen Brennstoffzelle absinkt, was für die Reduktion des Katalysatoroxids förderlich ist. Da weiterhin durch die Sauerstoffverarmung das Brennstoffzellensystem in einem unterstöchiometrischen Verhältnis betrieben wird, also der Kathodenseite weniger Sauerstoff zugeführt wird als für die Reaktion mit dem bereitgestellten Wasserstoff erforderlich ist, reagiert der überschüssige Wasserstoff mit dem Sauerstoff des Katalysatoroxids, sodass der Katalysator regeneriert wird. Der sich daraus ergebende geringere Degradationsgrad kann gespeichert werden, sodass eine Umsortierung der Reihenfolge zu aktivierender oder zu deaktivierender Brennstoffzellenstapel vorkommen kann.In a further development of the invention, it has proven to be advantageous if at least one of the inactive fuel cell stacks is processed to reduce reversible aging effects, in particular while reducing its degree of degradation. Thus, during the inactive phase, the fuel cell stacks can be subjected to a recovery strategy, in particular reversible aging effects in the inactive fuel cell stacks can be reduced or eliminated. For example, oxygen depletion can be carried out on the cathode side while maintaining the current flow above a predetermined or predeterminable minimum current intensity for a predetermined period of time. This leads to the voltage potential of the individual fuel cell dropping, which is conducive to the reduction of the catalyst oxide. Since oxygen depletion continues to operate the fuel cell system in a substoichiometric ratio, i.e. less oxygen is supplied to the cathode side than is required for the reaction with the hydrogen provided, the excess hydrogen reacts with the oxygen in the catalyst oxide, so that the catalyst is regenerated. The resulting lower degree of degradation can be stored, so that the order of the fuel cell stacks to be activated or deactivated can be re-sorted.

Für das zu- oder abschalten hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, wenn diejenigen Brennstoffzellenstapel gruppiert aktiviert oder gruppiert deaktiviert werden, wobei diejenige Gruppe von Brennstoffzellenstapel aktiviert wird, deren Summe der Degradationsgrade minimiert ist, und wobei diejenige Gruppe von Brennstoffzellenstapel deaktiviert wird, deren Summe der Degradationsgrade maximiert ist. Somit ist gewährleistet, dass stets eine gleichmäßige Alterung über das vollständige Brennstoffzellensystem hinweg erfolgt.For switching on or off, it has also proven to be advantageous if those fuel cell stacks are activated or deactivated in groups, the group of fuel cell stacks whose sum of the degrees of degradation is minimized and the group of fuel cell stacks whose sum is deactivated is activated the degree of degradation is maximized. This ensures that there is always uniform aging across the entire fuel cell system.

Um einen Leistungseinbruch und damit eine Alterung der betreffenden Brennstoffzellenstapel oder der betreffenden Brennstoffzellen Detektieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der zeitliche Verlauf der Leistungsdaten aufgezeichnet wird, und wenn zur Referenzbildung eine zeitlich nachgelagerte Erfassung der Leistungsdaten mit den aufgezeichneten Leistungsdaten verglichen wird. Anhand von dabei festgestellten Abweichungen lässt sich der Degradationsgrad ebenfalls bestimmen.In order to be able to detect a drop in performance and thus an aging of the fuel cell stacks or the fuel cells in question, it has proven to be advantageous if the chronological course of the performance data is recorded and if a temporally subsequent acquisition of the performance data is compared with the recorded performance data for reference formation . The degree of degradation can also be determined on the basis of the deviations found.

Die in Verbindung mit dem vorstehend erläuterten Verfahren genannten Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, dessen Laufzeit und dessen Wartungsintervalle verlängert werden können, aufgrund einer gleichmäßigeren Alterung.The advantages mentioned in connection with the method explained above also apply to the fuel cell system according to the invention, the running time and the maintenance intervals of which can be extended due to a more uniform aging.

Das Brennstoffzellensystem mit einer mehrere Brennstoffzellenstapel umfassenden Stapelanordnung weist eine Messanordnung auf, die ausgebildet ist, einzelne Leistungsdaten jedes einzelnen der Brennstoffzellenstapel zu detektieren, wobei ein Steuergerät vorhanden ist, das ausgebildet ist, die von der Messanordnung detektierten Leistungsdaten zu empfangen, die Leistungsdaten in einem Speicher zu hinterlegen, und jeden einzelnen der Brennstoffzellenstapel selektiv zu aktivieren und/oder zu deaktivieren. Zudem ist das Steuergerät ausgebildet, anhand der detektierten Leistungsdaten einen Degradationsgrad jedes einzelnen der Brennstoffzellenstapel zu ermitteln und bei einer ansteigenden Lastanforderung zunächst denjenigen der inaktiven Brennstoffzellenstapel zu aktivieren, der den geringsten Degradationsgrad aufweist.The fuel cell system with a stack arrangement comprising a plurality of fuel cell stacks has a measuring arrangement which is designed to detect individual performance data of each individual one of the fuel cell stacks, wherein a control unit is provided which is designed to receive the performance data detected by the measuring arrangement, the performance data in a memory to deposit, and to selectively activate and / or deactivate each of the fuel cell stacks. In addition, the control device is designed to determine a degree of degradation of each of the fuel cell stacks on the basis of the detected performance data and, in the event of an increasing load requirement, to first activate that one of the inactive fuel cell stacks which has the lowest degree of degradation.

Zudem kann das Steuergerät ausgebildet sein, um bei einer sinkenden oder verringerten Lastanforderung zunächst denjenigen der inaktiven Brennstoffzellenstapel zu deaktivieren, der den höchsten Degradationsgrad aufweist. Dieses Brennstoffzellensystem zeichnet sich also durch eine gleichmäßigere Alterung aus.In addition, the control device can be designed to initially match that of the deactivate inactive fuel cell stack which has the highest degree of degradation. This fuel cell system is characterized by a more uniform aging.

Zugleich können auch mehrere Konstituenten zu jedem Brennstoffzellenstapel zugeordnet sein, welche beispielsweise Kühlmittelpumpe, Rezirkulationsgebläse, Strahlpumpe, Befeuchter, Verdichter, Ladeluftkühler oder dergleichen sein können.At the same time, several constituents can also be assigned to each fuel cell stack, which, for example, can be a coolant pump, recirculation blower, jet pump, humidifier, compressor, charge air cooler or the like.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination indicated in each case, but also in other combinations or on their own, without the scope of Leaving invention. Embodiments are thus also to be regarded and encompassed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge from the explanations explained and can be generated by separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

  • 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer mehrere Brennstoffzellenstapel umfassenden Stapelanordnung, wobei die Leistungsdaten in Form einer Spannungsreduktion zu jedem der Brennstoffzellenstapel zeitlich aufgezeichnet sind, und wobei rein exemplarisch Einträge einer Datenbank im Speicher des Steuergeräts dargestellt werden.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawing. It shows:
  • 1 schematically shows a fuel cell system with a stack arrangement comprising a plurality of fuel cell stacks, the performance data in the form of a voltage reduction for each of the fuel cell stacks being recorded in time, and entries of a database in the memory of the control unit being shown purely by way of example.

In 1 ist stark schematisiert eine ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, das eine mehrere Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 umfassende Stapelanordnung 110 aufweist. Jedem der Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 ist eine Meßeinheit einer Messanordnung zugewiesen, um einzelstapelbezogen Leistungsdaten der Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 zu detektieren. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Figur lediglich exemplarisch drei der Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 gezeigt sind und daher die Möglichkeit eröffnet ist, dass weitere Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 in der Stapelanordnung 110 vorliegen, was durch die drei vertikalen Punkte zwischen dem Brennstoffzellenstapel 104 und dem Brennstoffzellenstapel 106 angedeutet ist. Die Messanordnung bzw. die Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 selbst sind über eine elektrische Leitung mit einem Steuergerät 112 verbunden, das einen Speicher 108 aufweist, in dem eine Datenbank hinterlegt oder hinterlegbar ist. Ausgangseitig sind die Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 mit einem Gleichspannungswandler 114 elektrisch verbunden, der seinerseits die Ausgangsspannung der in Serie geschalteten Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 auf das nicht näher gezeigte Bordnetz oder Traktionsnetz transformiert. Im Traktionsnetz liegt typischerweise eine Hochvoltbatterie vor, die ihrerseits einen Elektromotor speist. Alternativ kann der Elektromotor auch unmittelbar mittels der durch den Gleichspannungswandler 114 bereitgestellten Spannung betrieben werden.In 1 is a highly schematic of a fuel cell system 100 shown that a multiple fuel cell stack 102 , 104 , 106 comprehensive stacking arrangement 110 having. Each of the fuel cell stacks 102 , 104 , 106 A measuring unit is assigned to a measuring arrangement in order to obtain individual data relating to the fuel cell stack 102 , 104 , 106 to detect. It should be pointed out that in the figure only three of the fuel cell stacks are shown by way of example 102 , 104 , 106 are shown and therefore the possibility is opened that further fuel cell stacks 102 , 104 , 106 in the stacking arrangement 110 present, which is due to the three vertical points between the fuel cell stack 104 and the fuel cell stack 106 is indicated. The measuring arrangement or the fuel cell stack 102 , 104 , 106 themselves are connected to a control unit via an electrical line 112 connected that a memory 108 has, in which a database is stored or can be stored. The fuel cell stacks are on the output side 102 , 104 , 106 with a DC converter 114 electrically connected, which in turn is the output voltage of the fuel cell stack connected in series 102 , 104 , 106 transformed to the electrical system or traction system, not shown in detail. There is typically a high-voltage battery in the traction network, which in turn feeds an electric motor. Alternatively, the electric motor can also be operated directly by means of the DC / DC converter 114 provided voltage are operated.

Neben jedem der Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 ist ein Leistungsdiagramm dargestellt, das beispielsweise die Spannungsreduktion (D(102), D(104), D(106)) in Volt gegenüber der Zeit darstellt. Diese Leistungsdaten können auch die Druckverluste am Stapel darstellen und/oder den Wirkungsgrad eines Befeuchters und/oder einer Leistungselektronik oder dergleichen.Next to each of the fuel cell stacks 102 , 104 , 106 a performance diagram is shown, which for example the voltage reduction ( D (102) , D (104) , D (106) ) in volts versus time. These performance data can also represent the pressure losses on the stack and / or the efficiency of a humidifier and / or power electronics or the like.

Das Steuergerät 112 ist vorliegend ausgebildet, die von der Messanordnung detektierten Leistungsdaten zu empfangen, die Leistungsdaten in dem Speicher 108 zu hinterlegen, und jeden einzelnen der Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 selektiv zu aktivieren und/oder zu deaktivieren. Die im Speicher 108 hinterlegten Leistungsdaten sind in den Leistungsdiagrammen strichliert dargestellt, sodass eine Abweichung gegenüber aktuell gemessenen Leistungsdaten bestimmt werden kann. Das Steuergerät 112 ist also ausgebildet, anhand der detektierten Leistungsdaten, nämlich anhand einer Abweichung der gespeicherten Leistungsdaten mit den aktuell gemessenen Leistungsdaten, einen Degradationsgrad jedes einzelnen der Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 zu ermitteln.The control unit 112 is configured in the present case to receive the performance data detected by the measuring arrangement, the performance data in the memory 108 to deposit, and each one of the fuel cell stacks 102 , 104 , 106 to selectively activate and / or deactivate. The one in memory 108 stored performance data are shown in dashed lines in the performance diagrams, so that a deviation from currently measured performance data can be determined. The control unit 112 is therefore designed, based on the detected performance data, namely on the basis of a deviation of the stored performance data with the currently measured performance data, a degree of degradation of each individual fuel cell stack 102 , 104 , 106 to determine.

Zudem ist das Steuergerät 112 ausgebildet, bei einer gesteigerten oder bei einer ansteigenden Lastanforderung vom Brennstoffzellensystem 100 zunächst denjenigen der inaktiven Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 zu aktivieren, der den geringsten Degradationsgrad aufweist. Damit ist gewährleistet, dass das Brennstoffzellensystem 100 gleichmäßiger altert. Umgekehrt ist das Steuergerät 112 ausgebildet, bei einer verringerten Lastanforderung denjenigen aktiven Brennstoffzellenstapel zu deaktivieren, der den höchsten Degradationsgrad aufweist.In addition, the control unit 112 trained, with an increased or with an increasing load request from the fuel cell system 100 first that of the inactive Fuel cell stack 102 , 104 , 106 to activate, which has the lowest degree of degradation. This ensures that the fuel cell system 100 ages more evenly. The control unit is reversed 112 trained to deactivate the active fuel cell stack that has the highest degree of degradation with a reduced load requirement.

Wird also im gezeigten Beispiel nach 1 eine gesteigerte Lastanforderung detektiert, so wird der Brennstoffzellenstapel 104 aktiviert werden, da er den niedrigsten Degradationsgrad (D(104)) besitzt, sofern er nicht bereits aktiv gestellt ist. Im umgekehrten Falle einer verringerten Lastanforderung würde der Brennstoffzellenstapel 106 abgeschaltet werden, da er den höchsten Degradationsgrad besitzt (D(106)). Dabei besteht die Möglichkeit die Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 auch gruppiert zu aktivieren und/oder zu deaktivieren.So in the example shown 1 an increased load request is detected, so the fuel cell stack 104 activated because it has the lowest degree of degradation ( D (104) ) if it is not already active. In the opposite case, a reduced load requirement would result in the fuel cell stack 106 be switched off because it has the highest degree of degradation ( D (106) ). There is the possibility of the fuel cell stack 102 , 104 , 106 also to activate and / or deactivate in groups.

Beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung werden vorzugsweise diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert und zwar solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt ist. Umgekehrt werden beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert, und zwar solange, bis die noch aktiven Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitstellen.When an increased load requirement is detected, those inactive fuel cell stacks are preferably 102 , 104 , 106 activated one after the other in an order with increasing degree of degradation until the active fuel cell stacks 102 , 104 , 106 a service that meets the increased load requirement is provided. Conversely, when a reduced load requirement is detected, those active fuel cell stacks become 102 , 104 , 106 deactivated one after the other in a sequence with decreasing degree of degradation, until the fuel cell stacks that are still active 102 , 104 , 106 provide a performance that meets the reduced load requirement.

Eine effiziente Bewertung des Alterungszustandes lässt sich abschließend dadurch realisieren, dass der zeitliche Verlauf der Leistungsdaten aufgezeichnet wird, und dass zur Referenzbildung eine zeitlich nachgelagerte Erfassung der Leistungsdaten mit den aufgezeichneten Leistungsdaten verglichen wird.An efficient evaluation of the aging condition can finally be realized by recording the time profile of the performance data and comparing a subsequent acquisition of the performance data with the recorded performance data for reference formation.

Abschließend weist die vorliegende Erfindung also den Vorteil einer gleichmäßigeren Alterung des gesamten Brennstoffzellensystems 100 auf, was zu einer verlängerten Lebensdauer und zu einer erhöhten Effizienz derselben führt. Die Bemessung der Degradationsgrade lässt auch bei dem mit Konstituenten gebildeten Brennstoffzellensubsystem realisieren, so dass deren Brennstoffzellensubsystemsdegradationsgrad kontinuierlich bestimmt wird, und die Brennstoffzellensubsysteme selektiv aktiviert und/oder deaktiviert werden in Abhängigkeit ihres (derzeitigen) Subsystemsdegradationsgrad. Inaktive Brennstoffzellenstapel 102, 104, 106 können auch während ihrer inaktiven Phase aufbereitet werden, um reversible Alterungseffekte zu lindern oder zu beseitigen.In conclusion, the present invention therefore has the advantage of a more uniform aging of the entire fuel cell system 100 on, which leads to an extended lifespan and increased efficiency thereof. The degree of degradation can also be measured in the fuel cell subsystem formed with constituents, so that its degree of fuel cell subsystem degradation is continuously determined, and the fuel cell subsystems are selectively activated and / or deactivated depending on their (current) degree of subsystem degradation. Inactive fuel cell stacks 102 , 104 , 106 can also be processed during their inactive phase to alleviate or eliminate reversible aging effects.

BezugszeichenlisteReference list

100100
BrennstoffzellensystemFuel cell system
102102
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
104104
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
106106
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
108108
SpeicherStorage
110110
StapelanordnungStacking arrangement
112112
SteuergerätControl unit
114114
GleichspannungswandlerDC converter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) mit einer Stapelanordnung (110), die mehrere Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) umfasst, welche selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei Leistungsdaten jedes einzelnen in der Stapelanordnung (110) vorhandenen Brennstoffzellenstapels (102, 104, 106) erfasst werden, gekennzeichnet durch die Schritte: - Bestimmen eines Degradationsgrades jedes einzelnen in der Stapelanordnung (110) vorhandenen Brennstoffzellenstapels (102, 104, 106) anhand der erfassten Leistungsdaten, und - beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung, Aktivieren desjenigen inaktiven Brennstoffzellenstapels (102, 104, 106), der den geringsten Degradationsgrad aufweist.Method for operating a fuel cell system (100) with a stack arrangement (110) which comprises a plurality of fuel cell stacks (102, 104, 106) which can be selectively activated and / or deactivated, wherein performance data of each individual fuel cell stack (102) present in the stack arrangement (110) , 104, 106), characterized by the steps: - determining a degree of degradation of each individual fuel cell stack (102, 104, 106) present in the stack arrangement (110) on the basis of the recorded performance data, and - upon detection of an increased load requirement, activation of the inactive one Fuel cell stack (102, 104, 106) which has the lowest degree of degradation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that when an increased load request is detected, those inactive fuel cell stacks (102, 104, 106) are activated one after the other in an order with increasing degree of degradation until the active fuel cell stack (102, 104, 106) meets one of the increased load request Performance is provided. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung der aktive Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) deaktiviert wird, der den höchsten Degradationsgrad aufweist.Procedure according to Claim 1 or 2nd , characterized in that when a reduced load requirement is detected, the active fuel cell stack (102, 104, 106) which has the highest degree of degradation is deactivated. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that when a reduced load request is detected, those active fuel cell stacks (102, 104, 106) are deactivated one after the other in a sequence with a decreasing degree of degradation until the still active fuel cell stacks (102, 104, 106) meet one of the reduced load requests future performance is provided. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) mit mindestens einem weiteren Konstituent zu einem Brennstoffzellensubsystem zusammengefasst ist, dass die Leistungsdaten des mindestens einen weiteren Konstituenten ebenfalls erfasst werden, dass anhand aller erfasster Leistungsdaten ein Subsystemsdegradationsgrad bestimmt wird, und dass beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung dasjenige Brennstoffzellensubsystem zuerst aktiviert wird, das den geringsten Subsystemsdegradationsgrad aufweist.Procedure according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that each of the fuel cell stacks (102, 104, 106) is combined with at least one further constituent to form a fuel cell subsystem, that the performance data of the at least one further constituent are also recorded, that a degree of subsystem degradation is determined on the basis of all recorded performance data, and that when detecting an increased load requirement, that fuel cell subsystem that has the lowest degree of subsystem degradation is activated first. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung dasjenige Brennstoffzellensubsystem zuerst deaktiviert wird, das den größten Subsystemsdegradationsgrad aufweist.Procedure according to Claim 5 , characterized in that when a reduced load requirement is detected, the fuel cell subsystem that has the greatest degree of subsystem degradation is first deactivated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der inaktiven Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) zur Reduzierung reversibler Alterungseffekte aufbereitet wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that at least one of the inactive fuel cell stacks (102, 104, 106) is processed to reduce reversible aging effects. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) gruppiert aktiviert oder gruppiert deaktiviert werden, wobei diejenige Gruppe von Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) aktiviert wird, deren Summe der Degradationsgrade minimiert ist, und wobei diejenige Gruppe von Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) deaktiviert wird, deren Summe der Degradationsgrade maximiert ist.Procedure according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that those fuel cell stacks (102, 104, 106) are activated in groups or deactivated in groups, the group of fuel cell stacks (102, 104, 106) whose sum of the degrees of degradation is minimized is activated, and that group of fuel cell stacks ( 102, 104, 106) is deactivated, the sum of which is the degree of degradation maximized. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Leistungsdaten aufgezeichnet wird, und dass zur Referenzbildung eine zeitlich nachgelagerte Erfassung der Leistungsdaten mit den aufgezeichneten Leistungsdaten verglichen wird.Procedure according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the temporal course of the performance data is recorded, and that a temporally subsequent acquisition of the performance data is compared with the recorded performance data for reference formation. Brennstoffzellensystem (100) mit einer mehrere Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) umfassenden Stapelanordnung (110), mit einer Messanordnung, die ausgebildet ist, einzelne Leistungsdaten jedes einzelnen der Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) zu Detektieren, und mit einem Steuergerät (112), welches ausgebildet ist, die von der Messanordnung detektierten Leistungsdaten zu empfangen, die Leistungsdaten in einem Speicher (108) zu hinterlegen, und jeden einzelnen der Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) selektiv zu aktivieren und/oder zu deaktivieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (112) ausgebildet ist, anhand der detektierten Leistungsdaten einen Degradationsgrad jedes einzelnen der Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) zu ermitteln und bei einer ansteigenden Lastanforderung zunächst denjenigen der inaktiven Brennstoffzellenstapel (102, 104, 106) zu aktivieren, der den geringsten Degradationsgrad aufweist.Fuel cell system (100) with a stack arrangement (110) comprising a plurality of fuel cell stacks (102, 104, 106), with a measuring arrangement which is designed to detect individual performance data of each of the fuel cell stacks (102, 104, 106), and with a control unit ( 112), which is designed to receive the performance data detected by the measuring arrangement, to store the performance data in a memory (108), and to selectively activate and / or deactivate each of the fuel cell stacks (102, 104, 106), characterized that the control device (112) is designed to determine a degree of degradation of each of the fuel cell stacks (102, 104, 106) on the basis of the detected performance data and to first activate that of the inactive fuel cell stacks (102, 104, 106) when the load request increases has the lowest degree of degradation.
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