DE102019122607A1 - Method for monitoring voltages and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen (30-35) in einem Brennstoffzellenstapel (20), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen (30-35); Bestimmen eines Medianwerts und/oder eines Mittelwerts der Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20); Vergleichen der Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder von Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) mit dem Medianwert und/oder dem Mittelwert; Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) von dem Mittelwert und/oder dem Medianwert um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht; und Erhöhen oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen festgestellt wurde, dass die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) von dem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht.

Figure DE102019122607A1_0000
According to the invention, the technology disclosed here relates to a method for monitoring voltages of fuel cells (30-35) in a fuel cell stack (20), the method comprising the following steps: detecting the voltages of the individual fuel cells (30-35); Determining a median value and / or a mean value of the voltages of a plurality of fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20); Comparing the voltage of a fuel cell (30-35) or voltages of a plurality of fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) with the median value and / or the mean value; Determining whether the voltage of a fuel cell (30-35) or a plurality of fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) deviates from the mean value and / or the median value by at least a first predetermined value; and increasing or decreasing the amount and / or the volume flow and / or the pressure of a medium influencing the voltage of the fuel cell (30-35) on the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35) in which it was determined became that the voltage of the fuel cell (30-35) deviates from the median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) by at least the first predetermined value.
Figure DE102019122607A1_0000

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen und ein Brennstoffzellensystem.The technology disclosed here relates to a method for monitoring voltages and a fuel cell system.

Bei bisher bekannten Brennstoffzellensystemen werden die Spannungen von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels erfasst und mit einem absolut vorgegebenen Wert verglichen. Wenn die Spannung einer oder mehrerer Brennstoffzellen unterhalb des vorgegebenen Werts (z.B. 500 mV) liegt, wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels reduziert oder der Brennstoffzellenstapel wird abgeschaltet.In previously known fuel cell systems, the voltages of fuel cells of a fuel cell stack are recorded and compared with an absolutely predetermined value. If the voltage of one or more fuel cells is below the specified value (e.g. 500 mV), the power of the fuel cell stack is reduced or the fuel cell stack is switched off.

Nachteilig hieran ist, dass der Brennstoffzellenstapel in vielen auftretenden Situationen unmittelbar abgeschaltet oder in seiner Leistung reduziert wird.The disadvantage here is that the fuel cell stack is switched off immediately in many situations that arise or its output is reduced.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in einem Kraftfahrzeug bzw. ein Brennstoffzellensystem aufzuzeigen, bei dem ein Abschalten des Brennstoffzellensystems oder ein Verringern der Leistung des Brennstoffzellensystems technisch einfach weitgehend vermieden wird. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed here to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. In particular, a preferred object of the technology disclosed here is to provide a method for monitoring the voltages of fuel cells in a fuel cell stack in a motor vehicle or a fuel cell system in which switching off the fuel cell system or reducing the output of the fuel cell system is technically simply largely avoided. Further preferred objects can result from the advantageous effects of the technology disclosed here. The object (s) is / are achieved by the subject matter of claim 1 or claim 6 of the independent claims. The dependent claims represent preferred configurations.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen; Bestimmen eines Medianwerts und/oder eines Mittelwerts der Spannungen mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels; Vergleichen der Spannung einer Brennstoffzelle oder von Spannungen mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit dem Medianwert und/oder dem Mittelwert; Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle oder mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels von dem Mittelwert und/oder dem Medianwert um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht; und Erhöhen oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei der oder denen festgestellt wurde, dass die Spannung der Brennstoffzelle von dem Medianwerts und/oder Mittelwerts der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht.In particular, the object is achieved by a method for monitoring voltages of fuel cells in a fuel cell stack, the method comprising the following steps: detecting the voltages of the individual fuel cells; Determining a median value and / or a mean value of the voltages of a plurality of fuel cells of the fuel cell stack; Comparing the voltage of a fuel cell or voltages of a plurality of fuel cells of the fuel cell stack with the median value and / or the mean value; Determining whether the voltage of a fuel cell or a plurality of fuel cells of the fuel cell stack deviates from the mean value and / or the median value by at least a first predetermined value; and increasing or decreasing the amount and / or the volume flow and / or the pressure of a medium influencing the voltage of the fuel cell at the fuel cell or the fuel cells in which it was determined that the voltage of the fuel cell deviates from the median value and / or mean value of the Voltages of several of the fuel cells of the fuel cell stack deviates by at least the first predetermined value.

Ein Vorteil hiervon ist, dass im Wesentlichen unabhängig von dem Spannungsabfall mehrere Brennstoffzellen gemeinsam, ein Spannungsunterschied zwischen den Brennstoffzellen technisch einfach festgestellt werden kann. Somit können Maßnahmen zum Erhöhen der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle(n) bzw. Angleichen der Spannungen der Brennstoffzellen aneinander unternommen werden, bevor das Steuergerät die Leistung der Brennstoffzelle(n) verringert oder das Brennstoffzellensystem abschaltet. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems für den Fahrer des Kraftfahrzeugs erhöht werden, da das Brennstoffzellensystem weniger häufig abgeschaltet wird bzw. die Leistung weniger häufig durch das Steuergerät verringert wird. Zudem können durch die Position der Brennstoffzellen, deren Spannung zu dem Mittelwert und/oder Medianwert einen Unterschied aufweisen, der größer als der erste vorgegebene Abstand ist, auf die Art des Fehlers bzw. Problems geschlossen werden. Zudem ist vorteilhaft, dass dem Brennstoffzellensystem technisch einfach zur Vergleichmäßigung der Spannungen der Brennstoffzellen ein Medium, z.B. Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Wasser, verstärkt oder vermindert zugeführt werden kann. Somit kann eine Leistungsverminderung und/oder ein Abschalten des Brennstoffzellenstapels weitgehend verhindert werden. Es können z.B. ein oder mehrere Zustände bzw. Bedingungen wie (Partial-) Druck eines Gases, Temperatur der Brennstoffzelle und/oder eines Gases, Durchflussmenge eines Mediums, Feuchtegehalt des Mediums bzw. Gases etc. an der jeweiligen Brennstoffzelle verändert werden.One advantage of this is that, essentially independently of the voltage drop, a plurality of fuel cells in common, a voltage difference between the fuel cells can be determined in a technically simple manner. Measures can thus be taken to increase the voltage of the respective fuel cell (s) or to adjust the voltages of the fuel cells to one another before the control device reduces the output of the fuel cell (s) or switches off the fuel cell system. In this way, the availability of the fuel cell system for the driver of the motor vehicle can be increased, since the fuel cell system is switched off less frequently or the power is reduced less frequently by the control device. In addition, the type of error or problem can be deduced from the position of the fuel cells, the voltage of which has a difference from the mean value and / or median value that is greater than the first predetermined distance. In addition, it is advantageous that a medium, e.g. hydrogen, oxygen and / or water, can be supplied to the fuel cell system in a technically simple manner in order to equalize the voltages of the fuel cells, in an increased or reduced manner. A reduction in power and / or a shutdown of the fuel cell stack can thus be largely prevented. For example, one or more states or conditions such as (partial) pressure of a gas, temperature of the fuel cell and / or a gas, flow rate of a medium, moisture content of the medium or gas etc. can be changed on the respective fuel cell.

Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen und ein Steuergerät zum Überwachen der Brennstoffzellen gelöst, wobei das Steuergerät zum Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen, zum Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle oder mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht, und zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei der oder denen die Spannung von dem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den vorgegebenen Wert abweicht, ausgebildet ist.In particular, the object is also achieved by a fuel cell system comprising a fuel cell stack with several fuel cells and a control device for monitoring the fuel cells, the control device for detecting the voltages of the individual fuel cells, for determining whether the voltage of a fuel cell or several fuel cells of the fuel cell stack is from a median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells of the fuel cell stack deviates by at least a first predetermined value, and to increase and / or decrease the amount and / or the volume flow and / or the pressure of a medium influencing the voltage of the fuel cell at the fuel cell or the Fuel cells in which the voltage of the median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells of the fuel cell stack is changed at least deviates from the specified value.

Vorteilhaft hieran ist, dass ein Spannungsunterschied zwischen den Brennstoffzellen technisch einfach festgestellt werden kann, unabhängig von der gemeinsamen Verringerung der Spannung der Brennstoffzellen. Folglich können technisch einfach Maßnahmen zum Angleichen der Spannungen der Brennstoffzelle(n) aneinander unternommen werden, bevor das Steuergerät die Leistung der Brennstoffzelle(n) verringert oder das Brennstoffzellensystem abschaltet. Hierdurch ist es möglich, das Brennstoffzellensystem länger dem Fahrer zur Verfügung zu stellen, da das Brennstoffzellensystem weniger häufig abgeschaltet wird bzw. die Leistung weniger häufig durch das Steuergerät verringert wird. Zudem können durch die Position der Brennstoffzellen, deren Spannung zu dem Mittelwert und/oder Medianwert einen Unterschied aufweisen, der größer als der erste vorgegebene Abstand ist, auf die Art des Fehlers bzw. Problems geschlossen werden. Zudem kann das Brennstoffzellensystem geringe Herstellungskosten aufweisen. Ein Vorteil weiterer hiervon ist, dass das Steuergerät technisch besonders einfach ein Medium, z.B. Sauerstoff, Wasserstoff und/oder Wasser, verstärkt oder vermindert zur Vergleichmäßigung der Spannungen der Brennstoffzellen zuführen kann. Somit kann eine Leistungsverminderung und/oder ein Abschalten des Brennstoffzellenstapels weitgehend verhindert werden. Insbesondere ist mittels des Brennstoffzellensystems möglich, die Medienverteilung zu vergleichmäßigen, d.h. dass jeder Brennstoffzelle im Wesentlichen die gleiche Menge bzw. Strömungsrate jedes Mediums (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser etc.) zur Verfügung steht. Es können z.B. ein oder mehrere Zustände bzw. Bedingungen wie (Partial-) Druck eines Gases, Temperatur der Brennstoffzelle und/oder eines Gases, Durchflussmenge eines Mediums, Feuchtegehalt des Mediums bzw. Gases etc. an der jeweiligen Brennstoffzelle verändert werden.The advantage of this is that a voltage difference between the fuel cells can be determined in a technically simple manner, regardless of the common reduction in the voltage of the fuel cells. Consequently, it is technically easy to take measures to match the voltages of the fuel cell (s) to one another before the control device reduces the output of the fuel cell (s) or switches off the fuel cell system. This makes it possible to make the fuel cell system available to the driver for a longer period, since the fuel cell system is switched off less frequently or the power is reduced less frequently by the control device. In addition, the type of error or problem can be deduced from the position of the fuel cells, the voltage of which has a difference from the mean value and / or median value that is greater than the first predetermined distance. In addition, the fuel cell system can have low manufacturing costs. Another advantage of this is that the control unit can technically and easily supply a medium, e.g. oxygen, hydrogen and / or water, in an increased or reduced manner to equalize the voltages of the fuel cells. A reduction in power and / or a shutdown of the fuel cell stack can thus be largely prevented. In particular, the fuel cell system makes it possible to even out the media distribution, i.e. that essentially the same amount or flow rate of each medium (e.g. hydrogen, oxygen, water, etc.) is available to each fuel cell. For example, one or more states or conditions such as (partial) pressure of a gas, temperature of the fuel cell and / or a gas, flow rate of a medium, moisture content of the medium or gas etc. can be changed on the respective fuel cell.

Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem gelöst. Die Vorteile des Kraftfahrzeugs entsprechen im Wesentlichen den oben angegebenen Vorteilen des Brennstoffzellensystems.In particular, the object is also achieved by a motor vehicle with a fuel cell system described above. The advantages of the motor vehicle essentially correspond to the advantages of the fuel cell system specified above.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf: Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle oder der jeweiligen Brennstoffzelle mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle oder die Brennstoffzellen, bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Median und/oder im Mittel einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels. Vorteilhaft hieran ist, dass technisch besonders einfach festgestellt werden kann, welches Medium der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. den jeweiligen Brennstoffzellen zugeführt bzw. verstärkt zugeführt werden muss, um die Spannung der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellen in Richtung des Mittelwerts und/oder Medianwerts zu verändern. Beispielsweise kann technisch einfach erkannt werden, dass zu wenig Wasserstoff zu der Brennstoffzelle gelangt, wenn die Brennstoffzelle(n) mit entsprechender Abweichung vom Medianwert und/oder Mittelwert sich weiter entfernt als der Mittelwert der Brennstoffzellen von dem Punkt befindet, an dem dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zugeführt wird. Gleiches gilt entsprechend für die anderen Medien, insbesondere Sauerstoff. Insbesondere ist es möglich, die Medienverteilung zu vergleichmäßigen, d.h. dass jeder Brennstoffzelle im Wesentlichen die gleiche Menge und/oder den gleichen Druck und/oder den gleichen Volumenstrom jedes Mediums (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser etc.) zur Verfügung gestellt wird.According to one embodiment of the method, the method also has the following step: determining an undersupply of the respective fuel cell or the respective fuel cell with a medium, if the fuel cell or the fuel cells in which the voltage of a median value and / or mean value of the voltages of several the fuel cells of the fuel cell stack deviates by at least the first predetermined value, have a median and / or mean a distance of at least a second predetermined value greater than the center point of the fuel cell stack from the point of supply of the respective medium. The advantage of this is that it is technically particularly easy to determine which medium has to be supplied to the respective fuel cell or the respective fuel cells or increased in order to change the voltage of the fuel cell or the fuel cells in the direction of the mean value and / or median value. For example, it is technically easy to recognize that too little hydrogen is getting to the fuel cell if the fuel cell (s), with a corresponding deviation from the median value and / or mean value, are further away than the mean value of the fuel cells from the point at which the fuel cell system or the fuel cell hydrogen is supplied to the fuel cell stack. The same applies to the other media, in particular oxygen. In particular, it is possible to equalize the media distribution, i.e. that essentially the same amount and / or the same pressure and / or the same volume flow of each medium (e.g. hydrogen, oxygen, water, etc.) is made available to each fuel cell.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf: Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle. Hierdurch kann technisch einfach erkannt werden, ob einer Brennstoffzelle oder mehreren Brennstoffzellen mehr Wasser zugeführt werden soll oder weniger bis kein Wasser zugeführt werden soll. Somit lässt sich das Problem, das für die Verringerung der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle verantwortlich ist, technisch einfach erkennen und lösen.According to one embodiment of the method, the method furthermore has the following step: performing an impedance measurement on the fuel cell or the fuel cells, in which the voltage deviates from the median value and / or mean value by more than the first predetermined value, to determine the humidity of a membrane respective fuel cell. In this way it can be recognized in a technically simple manner whether more water is to be supplied to a fuel cell or several fuel cells or less or less water to be supplied. In this way, the problem that is responsible for reducing the voltage of the respective fuel cell can be easily identified and solved from a technical point of view.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen zueinander in der Vergangenheit abhängig. Hierdurch kann der erste vorgegebene Wert von dem Verhalten der Brennstoffzelle in der Vergangenheit abhängig sein. Somit können Abweichungen von der Norm noch besser detektiert bzw. erkannt werden. Insbesondere können Spannungsabfälle bzw. Spannungsunterschiede, die z.B. bei starker Last auftreten, als normal beurteilt werden, wenn der entsprechende Brennstoffzellenstapel bereits in der Vergangenheit ein derartiges Verhalten gezeigt hat.According to one embodiment of the method, the first predetermined value is dependent on the average voltages of the fuel cells and / or on the average voltage deviations of the fuel cells from one another in the past. As a result, the first predetermined value can be dependent on the behavior of the fuel cell in the past. Thus, deviations from the norm can be detected or recognized even better. In particular, voltage drops or voltage differences that occur, for example, under heavy loads, can be assessed as normal if the corresponding fuel cell stack has already shown such behavior in the past.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens entspricht der erste vorgegebene Wert der Standardabweichung der Verteilung der Spannungen der Brennstoffzellen. Hierdurch kann technisch besonders einfach abhängig von der Verteilung der Spannungen ein erster vorgegebener Wert bestimmt werden. Hierbei ist der erste vorgegebene Wert somit nicht starr bzw. unveränderlich vorgegeben, sondern der erste vorgegebene Wert hängt davon ab, wie stark die Spannungen der Brennstoffzellen streuen.According to one embodiment of the method, the first predetermined value corresponds to the standard deviation of the distribution of the voltages of the fuel cells. As a result, a first predetermined value can be determined in a technically particularly simple manner depending on the distribution of the voltages. In this case, the first predefined value is therefore not predefined rigidly or invariably, but rather the first predefined value depends on how strongly the voltages of the fuel cells scatter.

Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät zum Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle oder der jeweiligen Brennstoffzelle mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle oder die Brennstoffzellen, bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Medianwert und/oder Mittelwert einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Steuergerät technisch besonders einfach feststellen kann, welches Medium der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. den jeweiligen Brennstoffzellen zugeführt bzw. verstärkt zugeführt werden muss, um die Spannung der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellen in Richtung des Mittelwerts und/oder Medianwerts zu verändern. Beispielsweise kann das Steuergerät technisch einfach erkennen, dass zu wenig Wasserstoff zu der Brennstoffzelle gelangt, wenn die Brennstoffzelle(n) mit entsprechender Abweichung vom Mittelwert und/oder Median sich weiter entfernt als der Durchschnitt der Brennstoffzellen von dem Punkt befindet, an dem dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zugeführt wird. Gleiches gilt entsprechend für die anderen Medien, insbesondere Sauerstoff.According to one embodiment of the fuel cell system, the control device is for determining an undersupply of the respective fuel cell or the respective fuel cell with a medium if the fuel cell or the fuel cells in which the voltage is from a median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells of the fuel cell stack deviates by at least the first predetermined value, in the median value and / or mean value at least a second predetermined value greater distance from the point of supply of the respective medium than the center point of the fuel cell stack. One advantage of this is that the control device can technically determine in a particularly simple manner which medium has to be supplied or reinforced to the respective fuel cell or the respective fuel cells in order to increase the voltage of the fuel cell or fuel cells in the direction of the mean value and / or median value change. For example, the control device can technically easily recognize that too little hydrogen is getting to the fuel cell if the fuel cell (s) with a corresponding deviation from the mean value and / or median is further away than the average of the fuel cells from the point at which the fuel cell system or . Hydrogen is supplied to the fuel cell stack. The same applies to the other media, in particular oxygen.

Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät zum Speichern von Spannungen der Brennstoffzellen ausgebildet, wobei der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen zueinander in der Vergangenheit abhängig ist. Vorteilhaft hieran ist, dass der erste vorgegebene Wert von dem Verhalten der Brennstoffzelle in der Vergangenheit abhängig sein kann. Folglich kann das Brennstoffzellensystem zu große Abweichungen der Spannungen zueinander noch besser detektiert bzw. erkannt werden. Insbesondere können Spannungsabfälle bzw. Spannungsunterschiede, die z.B. bei starker Last auftreten, als normal bzw. als Abweichungen innerhalb des ersten vorgegebenen Werts beurteilt werden, wenn der entsprechende Brennstoffzellenstapel bereits in der Vergangenheit ein derartiges Verhalten gezeigt hat.According to one embodiment of the fuel cell system, the control device is designed to store voltages of the fuel cells, the first predetermined value being dependent on the average voltages of the fuel cells and / or on the average voltage deviations of the fuel cells from one another in the past. The advantage here is that the first predetermined value can be dependent on the behavior of the fuel cell in the past. As a result, the fuel cell system can detect or recognize excessively large deviations in the voltages from one another even better. In particular, voltage drops or voltage differences that occur, for example, under heavy load, can be assessed as normal or as deviations within the first specified value if the corresponding fuel cell stack has already shown such behavior in the past.

Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät - zum Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle, - zum Vergleichen der Feuchtigkeit mit einem dritten vorgegebenen Wert, und - zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Feuchtigkeit der Membran an der jeweiligen Brennstoffzelle zum Verringern des Unterschieds zwischen der bestimmten Feuchtigkeit und des dritten vorgegebenen Werts ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass das Steuergerät technisch einfach erkennen kann, ob einer Brennstoffzelle oder mehreren Brennstoffzellen mehr Wasser zugeführt werden soll oder weniger bis kein (zusätzliches) Wasser zugeführt werden soll. Somit kann das Steuergerät das Problem, das für die Verringerung der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle verantwortlich ist, technisch einfach erkennen und lösen. According to one embodiment of the fuel cell system, the control device is - for performing an impedance measurement on the fuel cell or the fuel cells in which the voltage deviates from the median value and / or mean value by more than the first predetermined value, for determining the humidity of a membrane of the respective fuel cell, for comparing the humidity with a third predetermined value, and for increasing and / or decreasing the humidity of the membrane on the respective fuel cell for reducing the difference between the determined humidity and the third predetermined value. The advantage of this is that the control device can easily recognize from a technical point of view whether more water is to be supplied to a fuel cell or several fuel cells or less or no (additional) water is to be supplied. In this way, the control device can easily identify and solve the problem that is responsible for the reduction in the voltage of the respective fuel cell.

Das die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussende Medium kann beispielsweise Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder eine Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, umfassen oder sein.The medium influencing the voltage of the fuel cell can include or be, for example, water, hydrogen, oxygen and / or a cooling medium, in particular a cooling liquid.

Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem/ Brennstoffzellenstapel mit mindestens eine Brennstoffzelle sein.The at least one energy converter is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy, for example into electrical energy and / or into kinetic energy. The energy converter can be, for example, an internal combustion engine or a fuel cell system / fuel cell stack with at least one fuel cell.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. The technology disclosed here relates to a fuel cell system with at least two fuel cells. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles (for example passenger cars, motorcycles, utility vehicles), in particular to provide the energy for at least one drive machine for moving the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidizing agents into reaction products, producing electricity and heat in the process. The fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated by an ion-selective and ion-permeable separator, respectively. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is with Oxidizing agent supplied. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). A cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.In addition to the at least one fuel cell, a fuel cell system comprises peripheral system components (BOP components) that can be used when operating the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw. ARB) sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.The fuel cell system comprises an anode subsystem which is formed by the fuel-carrying components of the fuel cell system. An anode subsystem can have at least one pressure vessel, at least one tank shut-off valve (= TAV), at least one pressure reducer, at least one anode inflow path leading to the anode inlet of the fuel cell stack, an anode compartment in the fuel cell stack, at least one recirculation flow path leading away from the anode outlet of the fuel cell stack, at least one water separator (= AWS), have at least one anode flushing valve (= APV), at least one active or passive fuel recirculation conveyor (= ARE or ARB) and other elements. The main task of the anode subsystem is the supply and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathodenzuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the components that carry the oxidizing agent. A cathode subsystem can have at least one oxidant feeder, at least one cathode inflow path leading to the cathode inlet, at least one cathode exhaust gas path leading away from the cathode outlet, a cathode compartment in the fuel cell stack, and further elements. The main task of the cathode subsystem is the supply and distribution of oxidizing agent to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of unused oxidizing agent.

Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Kühlkreislauf, der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst zweckmäßig mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen Kühlmittelförderer und mindestens eine Brennstoffzelle. Bevorzugt sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, der von dem Kühlmittel durchflossen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist i.d.R. derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle zirkulieren kann. Insbesondere kann das in der mindestens einen Brennstoffzelle erwärmte Kühlmittel von der Brennstoffzelle in den mindestens einen Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die Brennstoffzelle strömt. Auch wenn hiervon Kühlmittel die Rede ist, ist dieses Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren der mindestens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser mit entsprechenden Additiven zum Einsatz. Das Kühlsystem kann auch zur Wärmegleichverteilung (d.h. die Vermeidung von höheren Temperaturgradienten) innerhalb der Brennstoffzellen bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels genutzt werden.The fuel cell system disclosed here comprises at least one cooling circuit which is set up to control the temperature of the fuel cell stack of the fuel cell system. The cooling circuit expediently comprises at least one heat exchanger, at least one coolant conveyor and at least one fuel cell. A plurality of fuel cells are preferably combined to form a fuel cell stack through which the coolant flows. The at least one heat exchanger is, for example, a cooler through which air flows and can be supported by a fan. The cooling circuit is usually designed in such a way that coolant can circulate between the heat exchanger and the at least one fuel cell. In particular, the coolant heated in the at least one fuel cell can flow from the fuel cell into the at least one heat exchanger, where it then cools down before it subsequently flows back into the fuel cell. While we are talking about coolant, this coolant is not just limited to cooling. Rather, the coolant can also be used for heating or generally for controlling the temperature of the at least one fuel cell. Water with appropriate additives is preferably used as the coolant. The cooling system can also be used to evenly distribute heat (i.e. to avoid higher temperature gradients) within the fuel cells or within the fuel cell stack.

Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen.The fuel cells of the fuel cell system usually comprise two separator plates. The ion-selective separator of a fuel cell is usually arranged between two separator plates. One separator plate forms the anode together with the ion-selective separator. The further separator plate arranged on the opposite side of the ion-selective separator forms the cathode together with the ion-selective separator. Gas channels for fuel or for oxidizing agent are preferably provided in the separator plates.

Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.The separator plates can be designed as monopolar plates and / or as bipolar plates. In other words, a separator plate expediently has two sides, one side forming an anode together with an ion-selective separator and the second side forming a cathode together with a further ion-selective separator of an adjacent fuel cell.

Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.So-called gas diffusion layers or gas diffusion layers (GDL) are usually provided between the ion-selective separators and the separator plates.

Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen. Gasdiffusionsschichten als solche sind bekannt. Eine Gasdiffusionsschicht dient u.a. dazu, die über die Separatorplatten zugeführten Medien auf der Oberfläche des ionenselektiven Separators zu verteilen. Gleichzeitig kann die Gasdiffusionsschicht Produktwasser von dem ionenselektiven Separator abführen und unterstützt beim Wärmeabtransport. Eine Gasdiffusionsschicht kann beispielsweise aus einem porösen Material ausgebildet werden. In der Regel kommen Fasern zum Einsatz. Beispielsweise kann ein Kohlenstoffpapier oder eine Kohlenstoffmatte eine Gasdiffusionsschicht ausbilden.As a rule, so-called gas diffusion layers or gas diffusion layers (GDL) are also provided between the ion-selective separators and the separator plates. Gas diffusion layers as such are known. A gas diffusion layer serves, among other things, to distribute the media supplied via the separator plates on the surface of the ion-selective separator. At the same time, the gas diffusion layer can remove product water from the ion-selective separator and supports the process Heat dissipation. A gas diffusion layer can be formed from a porous material, for example. As a rule, fibers are used. For example, a carbon paper or a carbon mat can form a gas diffusion layer.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens einen Halterahmen, auch Sub-Frame genannt. Der Halterahmen ist eingerichtet, den ionenselektiven Separator zu halten und innerhalb der Einzelzelle zu positionieren. In der Regel umgibt der Halterahmen den ionenselektiven Separator vollständig. Der ionenselektive Separator ist in der Regel weniger steif als der Halterahmen ausgebildet. Vorteilhaft unterbindet der Halterahmen den Medienaustausch zwischen Kathode und Anode. Zweckmäßig ist der Halterahmen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Besonders bevorzugt wird der Halterahmen in einem urformenden Prozess hergestellt, beispielsweise mittels eines Spritzverfahrens oder Schmelzverfahrens.The technology disclosed here also includes at least one holding frame, also called a sub-frame. The holding frame is designed to hold the ion-selective separator and to position it within the single cell. As a rule, the holding frame completely surrounds the ion-selective separator. The ion-selective separator is generally less rigid than the holding frame. The holding frame advantageously prevents the exchange of media between the cathode and anode. The holding frame is expediently made from a plastic material. The holding frame is particularly preferably produced in a primary molding process, for example by means of an injection molding process or a melting process.

Das Brennstoffzellensystem kann ein Zellüberwachungssystem umfassen. Das Zellüberwachungssystem (en.: cell voltage monitoring system bzw. CVM-System) kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle zu überwachen. I.d.R. überwacht es den Zustand von einer Vielzahl an Brennstoffzellen. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen bestimmen kann. Vorteilhaft kann somit eine auftretende Degradation bzw. ein Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch eventuell die Lebensdauer in einem gewissen Rahmen erhöht werden und/oder durch geeignete Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden.The fuel cell system can include a cell monitoring system. The cell monitoring system (cell voltage monitoring system or CVM system) can be designed to monitor the state of at least one cell. Usually it monitors the condition of a large number of fuel cells. In this context, monitoring means that the system can directly or indirectly determine the state of the cells being monitored. Any degradation that occurs or a cell failure can thus advantageously be recognized at an early stage and appropriate countermeasures initiated. The service life can thereby possibly be increased to a certain extent and / or the performance of the cell as a whole can be increased through suitable countermeasures.

Vorteilhaft kann mindestens eine Messgröße direkt oder indirekt erfasst werden. Die Messgröße kann insbesondere die elektrische Spannung der überwachten Zelle sein. Vorteilhaft werden die Einzelzellspannungen von mehreren bzw. allen Zellen sowie die Gesamtspannung ermittelt. Bevorzugt wird ferner der durch den Brennstoffzellenstack fließende Strom bestimmt. Aus den gemessenen Spannungen kann das CVM-System beispielsweise einen der folgenden Werte bestimmen: Min-, Max- und Mittelwert der Einzelzellspannung. Vorteilhaft können somit Spannungsabweichungen zwischen den Einzelzellen bzw. zu einem Mittelwert der Einzelzellspannungen erkannt werden. Bevorzugt werden weitere Einzelzellanalyseverfahren durchgeführt, wie beispielsweise eine Impedanzberechnung (z.B: elektrochemische Impedanzspektroskopie).At least one measured variable can advantageously be recorded directly or indirectly. The measured variable can in particular be the electrical voltage of the monitored cell. The individual cell voltages of several or all cells and the total voltage are advantageously determined. The current flowing through the fuel cell stack is also preferably determined. The CVM system can, for example, determine one of the following values from the measured voltages: min, max and mean value of the individual cell voltage. Voltage deviations between the individual cells or to a mean value of the individual cell voltages can thus advantageously be recognized. Further single cell analysis methods are preferably carried out, such as an impedance calculation (e.g. electrochemical impedance spectroscopy).

Bevorzugt umfasst das Zellüberwachungssystem mindestens ein Zellüberwachungsmodul (FCSC). Das Zellüberwachungsmodul kann beispielsweise einen Analog-Digital Wandler umfassen, der ein analoges Signal einer Brennstoffzelle in ein digitales Signal umwandelt. Z.B. kann als analoges Eingangssignal die Spannung erfasst werden, die in ein digitales Signal, z.B. ein 12-Bit Signal konvertiert wird. Vorteilhaft kann das Modul mindestens einen Multiplexer umfassen. Der Multiplexer kann ausgebildet sein, die Messsignale der einzelnen Brennstoffzellen einer Zellgruppe zu erfassen und diese analogen Signale dann dem Analog-Digital-Wandler zu senden. Eine solche Einheit kann beispielsweise als Analog Digital Converter Modul (ADC-Modul) bezeichnet werden. Im Falle einer Brennstoffzelle kann man auch von einem Fuel Cell Supervisory Circuit (FCSC) sprechen. Bevorzugt kann das Zellüberwachungsmodul weitere Analysefunktionalitäten des Zellüberwachungssystems umfassen, insbesondere durch Betrachtung von Differenzspannungen unmittelbar benachbarter Separatoren.The cell monitoring system preferably comprises at least one cell monitoring module (FCSC). The cell monitoring module can include, for example, an analog-to-digital converter that converts an analog signal from a fuel cell into a digital signal. E.g. the voltage can be recorded as an analog input signal, which is then converted into a digital signal, e.g. a 12-bit signal. The module can advantageously include at least one multiplexer. The multiplexer can be designed to acquire the measurement signals of the individual fuel cells of a cell group and then to send these analog signals to the analog-digital converter. Such a unit can, for example, be referred to as an analog digital converter module (ADC module). In the case of a fuel cell, one can also speak of a Fuel Cell Supervisory Circuit (FCSC). The cell monitoring module can preferably include further analysis functionalities of the cell monitoring system, in particular by considering differential voltages of directly adjacent separators.

Das mindestens eine Zellüberwachungsmodul ist in der Regel über einen Datenbus mit mindestens einem Steuergerät verbunden. Als Datenbus kann hier beispielsweise eingesetzt werden: Serial Peripheral Interface (SPI), aber ohne Chip-Select, isoSPI, Controller Area Network (CAN), FlexRay, MOST, Local Interconnect Network (LIN).The at least one cell monitoring module is usually connected to at least one control device via a data bus. The following data bus can be used here, for example: Serial Peripheral Interface (SPI), but without Chip-Select, isoSPI, Controller Area Network (CAN), FlexRay, MOST, Local Interconnect Network (LIN).

Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. ausgebildet, über den Datenbus mit dem mindestens einen Zellüberwachungsmodul (=Busteilnehmer) zu kommunizieren. Das Steuergerät kann u.a. ausgebildet sein, die Zellüberwachung zu regeln und/oder zu steuern. Es kann sich dabei um eine Engine Control Unit (ECU) handeln. Beispielsweise kann das Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem auch als Stack Management Unit (SMU) bezeichnet werden.The system disclosed here also includes at least one control device. The control device is designed, among other things, to communicate with the at least one cell monitoring module (= bus subscriber) via the data bus. The control device can, among other things, be designed to regulate and / or control the cell monitoring. It can be an engine control unit (ECU). For example, the control unit for a fuel cell system can also be referred to as a stack management unit (SMU).

Der Anodenzuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffquelle und der Anode des Brennstoffzellenstapels her. Der Anodenzuströmungspfad kann durch mehrere Anodenzuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Anodenzuströmungspfad miteinander verbinden.The anode inflow path establishes the fluid connection between the at least one fuel source and the anode of the fuel cell stack. The anode inflow path can be formed by a plurality of anode feed lines which connect the various components in the anode inflow path to one another.

Der mindestens eine Rezirkulationsströmungspfad wird auch als Rezirkulationskreis des Anodensubsystems bezeichnet und beginnt i.d.R. am Anodenauslass vom Brennstoffzellenstapel. Der Rezirkulationsströmungspfad mündet stromauf vom Brennstoffzellenstapel an einer Mündung in den Anodenzuströmungspfad. In der Regel ist diese Mündung in der Rezirkulationsstrahlpumpe vorgesehen, sofern das System eine Rezirkulationsstrahlpumpe umfasst. Der Rezirkulationsströmungspfad wird in der Regel durch mehrere Rezirkulationsleitungen ausgebildet, die die im Rezirkulationsströmungspfad angeordneten Komponenten miteinander verbinden. Ein solches Rezirkulationssystem stellt sicher, dass der während der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel unverbrauchte Brennstoff zumindest teilweise wiederverwendet wird.The at least one recirculation flow path is also referred to as the recirculation circuit of the anode subsystem and generally begins at the anode outlet of the fuel cell stack. The recirculation flow path opens upstream from the fuel cell stack at an opening in the anode inflow path. As a rule, this opening is provided in the recirculation jet pump if the system comprises a recirculation jet pump. The recirculation flow path is generally formed by a plurality of recirculation lines, which are those in the recirculation flow path Connect the arranged components together. Such a recirculation system ensures that the fuel that has not been consumed during the electrochemical reaction in the fuel cell stack is at least partially reused.

Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens ein Anodenspülventil zum Spülen des Anodensubsystems. Ein Anodenspülventil wird auch als Purge-Ventil bezeichnet. Durch das wiederkehrende Öffnen und Schließen des Anodenspülventils werden aus dem Rezirkulationsströmungspfad Anodenabgase entnommen und in einen Abgaspfad (z.B. in eine Anodenspülleitung) eingeleitet. In der Regel ist das Anodenspülventil im, am oder stromab vom Wasserabscheider vorgesehen. Das Anodenspülventil ist regelmäßig ein elektromagnetisches Ventil.The fuel cell system includes at least one anode flush valve for flushing the anode subsystem. An anode flush valve is also known as a purge valve. The recurring opening and closing of the anode rinsing valve removes anode exhaust gases from the recirculation flow path and introduces them into an exhaust gas path (e.g. into an anode rinsing line). As a rule, the anode flush valve is provided in, on or downstream of the water separator. The anode flush valve is usually an electromagnetic valve.

Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Wasserabscheider, der in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Wasserabscheider als solche sind bekannt. Ein Wasserabscheider ist eine technische Vorrichtung, um aus Gasgemischen, Aerosolen oder Suspensionen Wasser abzutrennen. Hierbei können unterschiedliche Bauformen und Funktionsprinzipien eingesetzt werden. Bevorzugt kommt ein Flüssigwasserabscheider mit Strömungsumleitung durch Abscheideflächen zum Einsatz. Der Abgaspfad des Brennstoffzellensystems kann ein Abgaspfad des Anodensubsystems und/oder des Kathodensubsystems sein. Der Abgaspfad ist dabei der Pfad, der stromab vom Anodenauslass bzw. vom Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Abgaspfad kann direkt oder indirekt in die Umgebung münden und/oder ein rezirkulierender Pfad (Dead End System) sein.The fuel cell system disclosed here comprises at least one water separator which is arranged in an exhaust gas path of the fuel cell system. Water separators as such are known. A water separator is a technical device used to separate water from gas mixtures, aerosols or suspensions. Different designs and functional principles can be used here. A liquid water separator with flow diversion through separation surfaces is preferably used. The exhaust gas path of the fuel cell system can be an exhaust gas path of the anode subsystem and / or the cathode subsystem. The exhaust gas path is the path that is arranged downstream of the anode outlet or the cathode outlet of the fuel cell stack. The exhaust gas path can open directly or indirectly into the environment and / or be a recirculating path (dead end system).

Das Anoden-Subsystem umfasst mindestens einen Rezirkulationsförderer zur Förderung von Brennstoff in den Anodenzuströmungspfad. Der Rezirkulationsförderer ist zweckmäßig im Rezirkulationsströmungspfad angeordnet. Der Rezirkulationsförderer wird insbesondere nicht von einer Strahlpumpe ausgebildet.The anode subsystem includes at least one recirculation conveyor for conveying fuel into the anode inflow path. The recirculation conveyor is expediently arranged in the recirculation flow path. In particular, the recirculation conveyor is not formed by a jet pump.

Strahlpumpen bzw. Saugstrahlpumpe als solche sind bekannt. Sie sind als Venturidüse ausgebildet. Eine Strahlpumpe umfasst generell ein Rohrstück mit einer Querschnittsverengung, bspw. durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. An dieser verengten Stelle oder benachbart hierzu endet ein Förderkanal. Das Ende des Förderkanals wird vom durch das Rohrstück strömenden Medium umströmt, das als Treibmittel fungiert. Mit einer solchen Strahlpumpe lässt sich vorteilhaft die im Treibmittel enthaltene Strömungsenergie zum Fördern des Fördermediums aus dem Förderkanal nutzen. Eine solche Strahlpumpe ist vergleichsweise günstig, ausfallsicher und benötigt vergleichsweise wenig Platz. Besonders bevorzugt ist die Strahlpumpe ein Ejektor; also eine Strahlpumpe, die einen Unterdruck erzeugt und somit eine absaugende Wirkung hat.Jet pumps or suction jet pumps are known as such. They are designed as a venturi nozzle. A jet pump generally comprises a pipe section with a cross-sectional constriction, for example by two cones directed towards one another, which are combined at the point of their smallest diameter. A conveyor channel ends at this narrowed point or adjacent thereto. The medium flowing through the pipe section flows around the end of the conveying channel and acts as a propellant. With such a jet pump, the flow energy contained in the propellant can advantageously be used to convey the conveyed medium out of the conveying channel. Such a jet pump is comparatively inexpensive, fail-safe and requires comparatively little space. The jet pump is particularly preferably an ejector; a jet pump that creates a negative pressure and thus has a suction effect.

Der Kathodenzuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen dem mindestens einen Oxidationsmittelförderer und der Kathode des Brennstoffzellenstapels her. Der Kathodenzuströmungspfad kann durch mehrere Kathodenzuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Kathodenzuströmungspfad miteinander verbinden.The cathode inflow path establishes the fluid connection between the at least one oxidant feeder and the cathode of the fuel cell stack. The cathode inflow path can be formed by a plurality of cathode feed lines which connect the various components in the cathode inflow path to one another.

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren bzw. ein Brennstoffzellensystem, bei dem das Steuergerät die Spannungen der Brennstoffzellen ermittelt und die Zellspannungsverteilung (respektive die stochastische Varianz) entlang des Brennstoffzellenstapels auswertet. Die Zellspannungsverteilung gibt nämlich Aufschluss darüber, welche der (zum Teil unbekannten oder sehr schwer modellierbaren) Betriebsgrößen wie Feuchteverteilung, etc. im Brennstoffzellenstapel nicht im optimalen Bereich sind. Bei einer optimalen gleichmäßigen Medienversorgung aller Brennstoffzellen entlang des Brennstoffzellenstapels, weisen die Brennstoffzellen eine im Wesentlichen gleichmäßige Zellspannung bzw. eine sehr geringe Varianz der Spannungen auf.In other words, the technology disclosed here relates to a method or a fuel cell system in which the control device determines the voltages of the fuel cells and evaluates the cell voltage distribution (or the stochastic variance) along the fuel cell stack. The cell voltage distribution provides information about which of the (partly unknown or very difficult to model) operating parameters such as moisture distribution, etc. in the fuel cell stack are not in the optimal range. With an optimal, uniform supply of media to all fuel cells along the fuel cell stack, the fuel cells have an essentially uniform cell voltage or a very low variance of the voltages.

Der Mittelwert kann insbesondere ein arithmetischer Mittelwert sein. The mean value can in particular be an arithmetic mean value.

Die Menge und/oder Volumenstrom und/oder der Druck des die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser) kann insbesondere nicht nur an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, an der bzw. denen die Spannung von dem Mittelwert und/oder Medianwert um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, erhöht oder erniedrigt werden, sondern die Menge und/oder der Volumenstrom und/oder der Druck des die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums kann am Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack insgesamt erhöht oder erniedrigt werden, so dass die Menge und/oder der Volumenstrom und/oder der Druck des Mediums auch an bzw. bei den Brennstoffzellen, deren Spannung von dem Mittelwert und/oder Medianwert um weniger als den ersten vorgegebenen Wert abweicht, erhöht oder erniedrigt wird.The amount and / or volume flow and / or the pressure of the medium influencing the voltage of the fuel cell (for example hydrogen, oxygen, water) can in particular not only be applied to the fuel cell or the fuel cells on which the voltage of the mean value and / or The median value deviates, increases or decreases by at least the first specified value, but the amount and / or the volume flow and / or the pressure of the medium influencing the voltage of the fuel cell can be increased or decreased overall on the fuel cell stack or fuel cell stack, so that the amount and / or the volume flow and / or the pressure of the medium is also increased or decreased at or near the fuel cells, the voltage of which deviates from the mean value and / or median value by less than the first predetermined value.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand einer Figur erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie.
The technology disclosed here will now be explained using a figure. It shows:
  • 1 a schematic side view of a fuel cell system according to the technology disclosed here.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie. 1 shows a schematic side view of a fuel cell system according to the technology disclosed here.

Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 20 und ein Steuergerät 40 zum Regeln und/oder Steuern des Brennstoffzellenstapels 20.The fuel cell system includes a fuel cell stack 20th and a control unit 40 for regulating and / or controlling the fuel cell stack 20th .

Das Brennstoffzellensystem kann in einem Kraftfahrzeug 10 angeordnet sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein PKW, ein LKW, ein Bus, ein Motorrad, ein Schiff, ein Fahrrad oder ein Flugzeug sein. Das Brennstoffzellensystem stellt elektrische Energie zur Verfügung, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden kann.The fuel cell system can be in a motor vehicle 10 be arranged. The car 10 can be a car, a truck, a bus, a motorcycle, a ship, a bicycle or an airplane. The fuel cell system provides electrical energy that is used to drive the motor vehicle 10 can be used.

Der Brennstoffzellenstapel 20 umfasst mehrere Brennstoffzellen 30-35, insbesondere eine Vielzahl von Brennstoffzellen 30-35. Die Anzahl an Brennstoffzellen 30-35 kann z.B. einige Dutzend oder mehrere Hundert betragen. Die Brennstoffzellen 30-35 sind üblicherweise in Reihe bzw. in Serie geschaltet.The fuel cell stack 20th includes several fuel cells 30-35 , especially a variety of fuel cells 30-35 . The number of fuel cells 30-35 can for example be a few dozen or several hundred. The fuel cells 30-35 are usually connected in series or in series.

Die Brennstoffzellen 30-35 werden mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt. Zudem wird dafür gesorgt, dass die Membran zwischen Anode und Kathode feucht ist.The fuel cells 30-35 are supplied with hydrogen and oxygen. In addition, it is ensured that the membrane between the anode and cathode is moist.

Das Steuergerät 40 erfasst oder misst die Spannungen der Brennstoffzellen 30-35. Insbesondere wird die Einzelspannung jeder Brennstoffzelle 30-35 erfasst bzw. gemessen, z.B. mittels eines Strommessgeräts. Die Spannungen der Brennstoffzellen 30-35 werden statistisch bzw. stochastisch analysiert. Insbesondere kann ein Mittelwert und/oder ein Medianwert von mehreren Brennstoffzellen 30-35 gebildet werden.The control unit 40 records or measures the voltages of the fuel cells 30-35 . In particular, the individual voltage of each fuel cell 30-35 detected or measured, for example by means of an ammeter. The voltages of the fuel cells 30-35 are analyzed statistically or stochastically. In particular, a mean value and / or a median value of several fuel cells can be used 30-35 are formed.

Mit diesem Mittelwert und/oder Medianwert kann die Einzelspannung jeder Brennstoffzelle 30-35 verglichen werden. Die Einzelspannung der Brennstoffzelle 30-35, die mit dem Mittelwert und/oder Median verglichen wird, kann Teil der Berechnung des Mittelwerts und/oder Medianwerts sein. Möglich ist auch, dass die Einzelspannung der Brennstoffzelle 30-35, die mit dem Mittelwert und/oder Medianwert verglichen wird, nicht in die Berechnung des Mittelwerts und/oder Medianwerts eingeflossen ist.With this mean value and / or median value, the individual voltage of each fuel cell 30-35 be compared. The individual voltage of the fuel cell 30-35 that is compared with the mean and / or median can be part of the calculation of the mean and / or median. It is also possible that the individual voltage of the fuel cell 30-35 that is compared with the mean value and / or median value is not included in the calculation of the mean value and / or median value.

Wenn die Spannung einer Brennstoffzelle 30-35 oder die jeweiligen Spannungen mehrerer Brennstoffzellen 30-35 (z.B. mindestens zwei, drei, vier oder mehr) oder der Durchschnittswert bzw. Mittelwert oder Medianwert der mehreren Brennstoffzellen 30-35 von dem Mittelwert und/oder Medianwert um mehr als ein erster vorgegebener Wert abweicht (d.h. der Unterschied zwischen dem Durchschnittswert bzw. Mittelwert oder dem Medianwert und der erfassten bzw. gemessenen Spannung ist größer als der erste vorgegebene Wert oder gleich dem ersten vorgegebenen Wert), können durch das Steuergerät 40 Maßnahmen ergriffen werden, um die Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 oder jeweiligen Brennstoffzellen 30-35 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Insbesondere kann die Spannung der Brennstoffzellen 30-35 vergleichmäßigt werden, d.h. die Spannung der Brennstoffzellen 30-35, deren Spannung zu stark (gleich dem ersten vorgegebenen Wert oder mehr als der erste vorgegebene Wert) von dem Mittelwert und/oder Medianwert abweicht, wird dem Mittelwert und/oder Medianwert angenähert. Dies wird erreicht, indem ein Medium oder mehrere Medien, die die Spannung der Brennstoffzelle 30-35 beeinflussen, verstärkt oder vermindert der Brennstoffzelle 30-35 oder Brennstoffzellen 30-35 oder dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt zugeführt wird bzw. werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres Medium oder mehrere weitere Medien den Brennstoffzellen 30-35 bzw. dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt zugeführt werden.When the voltage of a fuel cell 30-35 or the respective voltages of several fuel cells 30-35 (eg at least two, three, four or more) or the average value or mean value or median value of the plurality of fuel cells 30-35 deviates from the mean value and / or median value by more than a first predetermined value (ie the difference between the average value or mean value or the median value and the recorded or measured voltage is greater than the first predetermined value or equal to the first predetermined value), can through the control unit 40 Measures are taken to reduce the voltage of the respective fuel cell 30-35 or respective fuel cells 30-35 to increase or decrease. In particular, the voltage of the fuel cells 30-35 be equalized, ie the voltage of the fuel cells 30-35 whose voltage deviates too much (equal to the first specified value or more than the first specified value) from the mean value and / or median value, the mean value and / or median value is approximated. This is achieved by using one or more media that control the voltage of the fuel cell 30-35 affect, increase or decrease the fuel cell 30-35 or fuel cells 30-35 or the fuel cell stack 20th total is or are supplied. Alternatively or additionally, a further medium or several further media can be used in the fuel cells 30-35 or the fuel cell stack 20th are fed in total.

Der erste vorgegebene Wert kann z.B. ca. 10% oder ca. 20% des Mittelwerts oder Medianwerts betragen. Dies bedeutet, dass ein unerwünschtes Abweichen der Spannung einer Brennstoffzelle 30-35 von dem Mittelwert und/oder Medianwert festgestellt wird, wenn die Spannung einer Brennstoffzelle 30-35 um mehr als 10% bzw. mehr als 20% von dem Mittelwert und/oder Medianwert abweicht. Der erste vorgegebene Wert kann von der Verteilung der Spannungswerte der Brennstoffzellen 30-35 abhängen. Z.B. kann der erste vorgegebene Wert die Standardabweichung von dem Mittelwert der Spannungen der Brennstoffzellen 30-35 sein. The first predetermined value can be, for example, approx. 10% or approx. 20% of the mean value or median value. This means that there is an undesirable deviation in the voltage of a fuel cell 30-35 from the mean value and / or median value is determined when the voltage of a fuel cell 30-35 deviates by more than 10% or more than 20% from the mean value and / or median value. The first predetermined value can be derived from the distribution of the voltage values of the fuel cells 30-35 depend. For example, the first predetermined value can be the standard deviation from the mean value of the voltages of the fuel cells 30-35 be.

Möglich ist auch, dass der erste vorgegebene Wert ein fester Wert, wie z.B. ca. 100 mV oder ca. 50 mV, ist.It is also possible that the first specified value is a fixed value, such as approx. 100 mV or approx. 50 mV.

Wenn das Steuergerät 40 eine unerwünschte Abweichung festgestellt wurde, d.h. der Spannungswert einer Brennstoffzelle 30-35 weicht vom Mittelwert und/oder Median mehr als der erste vorgegebene Wert ab, so wird dieser Brennstoffzelle 30-35 oder diesen Brennstoffzellen 30-35 oder dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt eine größere Menge eines bestimmten Mediums (Erhöhung des Zuflusses des Mediums) oder eine geringere Menge eines bestimmten Mediums (Verringern des Zuflusses des Mediums) zur Verfügung gestellt. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, den Druck und/oder den Volumenstrom/die Durchflussrate des bestimmten Mediums an der Brennstoffzelle 30-35 oder den Brennstoffzellen 30-35 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Somit kann auch die Menge und/oder der Druck und/oder der Volumenstrom/die Durchflussrate eines bestimmten Mediums in eine Richtung (Erhöhung oder Erniedrigung) verändert werden, und die Menge und/oder der Druck und/oder der Volumenstrom eines anderen Mediums in die entgegengesetzte Richtung (Erniedrigung oder Erhöhung) verändert werden.When the control unit 40 an undesired deviation was detected, ie the voltage value of a fuel cell 30-35 if the mean value and / or median deviates more than the first specified value, then this fuel cell 30-35 or these fuel cells 30-35 or the fuel cell stack 20th overall a larger amount of a certain medium (increasing the inflow of the medium) or a smaller amount of a certain medium (reducing the inflow of the medium) is made available. Alternatively or additionally, it is possible to measure the pressure and / or the volume flow / the flow rate of the specific medium on the fuel cell 30-35 or the fuel cells 30-35 to increase or decrease. Thus, the amount and / or the pressure and / or the volume flow / the flow rate of a certain medium can be changed in one direction (increase or decrease), and the amount and / or the pressure and / or the volume flow of another medium can be changed in the opposite direction (decrease or increase).

Wird beispielsweise bei Brennstoffzellen 30-35, die sich näher an der geometrischen Mitte des Brennstoffzellenstapels 20 befinden als die äußeren bzw. äußersten Brennstoffzellen 30-35, festgestellt, dass bei diesen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Medianwert der Spannung der Brennstoffzellen 30-35 von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, so kann das Steuergerät 40 aufgrund der Anordnung der Brennstoffzellen 30-35 feststellen, dass dies wohl durch eine zu große Erwärmung der Brennstoffzellen 30-35 in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 20 verursacht wird. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 den Kühlmittelzufluss bzw. den Zufluss des Mediums bzw. das Vorhandenseins des Kühlmediums (z.B. Wasser und/oder Luft und/oder Gas) an dieser Brennstoffzelle 30-35 bzw. diesen Brennstoffzellen 30-35 oder in dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt erhöhen. Hierdurch wird die Kühlung der Brennstoffzelle und/oder der Gase an bzw. in der Brennstoffzelle verstärkt, wodurch die Spannung der Brennstoffzelle 30-35 bzw. Brennstoffzellen 30-35 steigen sollten und sich dem Mittelwert und/oder Medianwert annähern sollten.For example, it is used in fuel cells 30-35 that are closer to the geometric center of the fuel cell stack 20th are located than the outer or outermost fuel cells 30-35 , found that there was a deviation from the mean value and / or median value of the voltage of the fuel cells 30-35 of more than the first predetermined value is present, the control unit can 40 due to the arrangement of the fuel cells 30-35 find out that this is probably due to excessive heating of the fuel cells 30-35 in the middle of the fuel cell stack 20th caused. The control unit can accordingly 40 the coolant inflow or the inflow of the medium or the presence of the cooling medium (for example water and / or air and / or gas) at this fuel cell 30-35 or these fuel cells 30-35 or in the fuel cell stack 20th increase overall. This increases the cooling of the fuel cell and / or the gases on or in the fuel cell, thereby increasing the voltage of the fuel cell 30-35 or fuel cells 30-35 should increase and should approach the mean and / or median.

Wird beispielsweise bei Brennstoffzellen 30-35, deren geometrischer Mittelpunkt um mindestens einen zweiten vorgegebenen Wert weiter von dem Zuflusspunkt bzw. Zuströmungspunkt eines Mediums (z.B. Wasserstoff) als der geometrische Mittelpunkt der anderen Brennstoffzellen 30-35 des Brennstoffzellenstapels 20 (insbesondere der Brennstoffzellen 30-35, deren Spannungswerte in die Bildung des Mittelwerts bzw. Medianwerts eingeflossen sind) entfernt ist, von dem Steuergerät 40 festgestellt werden, dass den Brennstoffzellen 30-35, bei denen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Median der Spannung von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, eine Unterversorgung mit diesem Medium (z.B. Wasserstoff) vorliegt, der den größeren Spannungsabfall bei den Brennstoffzellen 30-35 verursacht. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 den Druck des entsprechenden Mediums (z.B. Wasserstoff) erhöhen, so dass auch bei den Brennstoffzellen 30-35, die am Ende der Durchströmungsrichtung des entsprechenden Mediums liegen (d.h. die einen großen Abstand zu dem Zuflusspunkt des Mediums aufweisen), genügend bzw. ausreichend Medium (z.B. Wasserstoff) gelangt.This is used, for example, in fuel cells 30-35 whose geometric center is at least a second predetermined value further from the inflow point or inflow point of a medium (eg hydrogen) than the geometric center of the other fuel cells 30-35 of the fuel cell stack 20th (especially the fuel cells 30-35 whose voltage values were included in the formation of the mean value or median value) is removed from the control unit 40 be found that the fuel cells 30-35 in which there is a deviation from the mean value and / or median of the voltage of more than the first specified value, there is an undersupply of this medium (e.g. hydrogen), which causes the greater voltage drop in the fuel cells 30-35 caused. The control unit can accordingly 40 Increase the pressure of the corresponding medium (e.g. hydrogen), so that also with the fuel cells 30-35 which are at the end of the direction of flow of the corresponding medium (ie which are at a large distance from the inflow point of the medium), sufficient or sufficient medium (eg hydrogen) arrives.

Das Steuergerät 40 kann bei den Brennstoffzellen 30-35, bei denen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Median der Spannung von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, eine Impedanzmessung durchführen. Hierdurch kann der Wassergehalt bzw. die Feuchtigkeit der Membran der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 bestimmt werden. Somit kann das Steuergerät 40 bei den Brennstoffzellen 30-35, bei denen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Median der Spannung von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, oder bei allen Brennstoffzellen 30-35 eine Impedanzmessung durchführen und durch Vergleich der erfassten Wert bestimmen, ob die festgestellte Spannungsabweichung aufgrund zu hoher bzw. zu niedriger Feuchtigkeit aufritt. Der erfasste Feuchtigkeitswert kann mit einem dritten vorgegebenen Wert, der den optimalen Wert bzw. Wunschwert angibt, verglichen werden.The control unit 40 can with the fuel cells 30-35 in which there is a deviation from the mean value and / or median of the voltage of more than the first predetermined value, carry out an impedance measurement. This allows the water content or the moisture of the membrane of the respective fuel cell 30-35 to be determined. Thus the control unit can 40 in the case of fuel cells 30-35 , in which there is a deviation from the mean value and / or median of the voltage of more than the first predetermined value, or in all fuel cells 30-35 Carry out an impedance measurement and, by comparing the recorded values, determine whether the determined voltage deviation occurs due to excessively high or too low humidity. The detected humidity value can be compared with a third predetermined value which indicates the optimal value or desired value.

Dementsprechend kann mehr Wasser von der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 abtransportiert werden oder es kann zusätzlich zu dem von der Brennstoffzelle 30-35 produzierten Wasser zusätzliches Wasser zu der Brennstoffzelle 30-35 bzw. Membran der Brennstoffzelle 30-35 geführt werden. Hierbei wird versucht, den Unterschied zwischen dem erfassten Feuchtigkeitswert der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 und dem dritten vorgegebenen Wert zu verringern oder zu minimieren.Accordingly, more water can be transported away from the respective fuel cell 30-35 or it can be carried away in addition to that from the fuel cell 30-35 produced water additional water to the fuel cell 30-35 or membrane of the fuel cell 30-35 be guided. An attempt is made here to identify the difference between the detected moisture value of the respective fuel cell 30-35 and to decrease or minimize the third predetermined value.

Die Impedanzmessung kann z.B. durch Anlegen eines geringen Wechselstroms an die jeweilige Brennstoffzelle 30-35 durchgeführt werden.The impedance measurement can be carried out, for example, by applying a small alternating current to the respective fuel cell 30-35 be performed.

Es ist auch möglich, dass der überdurchschnittliche Spannungsabfall durch eine Verstopfung von Kanälen in einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle 30-35 mit (von der Brennstoffzelle 30-35 produziertem) Wasser verursacht wird. Das überschüssige Wasser kann durch stoßartiges Zuführen eines Mediums durch den Brennstoffzellenstapel 20 ausgetrieben werden. Auf diese Weise wird die Verstopfung behoben. Somit kann z.B. durch kurzzeitiges schnelles Erhöhen des Drucks eines Mediums (z.B. Wasserstoff), das durch den Brennstoffzellenstapel 20 strömt, das Wasser ausgetrieben werden und folglich den Brennstoffzellen 30-35, deren Spannung mehr als der erste vorgegebene Wert von dem Mittelwert und/oder Median abweicht, mehr Medium (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden.It is also possible that the above-average voltage drop is caused by a blockage of channels in a bipolar plate of the fuel cell 30-35 with (from the fuel cell 30-35 produced) water. The excess water can be displaced through the fuel cell stack by supplying a medium in a jerky manner 20th be driven out. This will clear the blockage. Thus, for example, by briefly increasing the pressure of a medium (eg hydrogen) flowing through the fuel cell stack 20th flows, the water expelled and, consequently, the fuel cells 30-35 whose voltage deviates from the mean value and / or median by more than the first specified value, more medium (eg hydrogen) can be supplied.

Möglich ist auch, dass das Steuergerät 40 nacheinander mehrere der oben genannten Maßnahmen durchführt, insbesondere wenn die erste Maßnahme die Spannung der Brennstoffzelle 30-35 nicht derart dem Mittelwert und/oder Median angenähert hat, dass die Abweichung kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.It is also possible that the control unit 40 performing several of the above measures in succession, especially if the first measure is the voltage of the fuel cell 30-35 has not approximated the mean value and / or median in such a way that the deviation is smaller than the first predetermined value.

Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. das/ein Brennstoffzellensystem, das/ein Steuergerät 40 etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. das mindestens eine Brennstoffzellensystem, das mindestens eine Steuergerät 40 etc.).For reasons of legibility, the expression “at least one” has been partially omitted. If a feature of the technology disclosed here is described in the singular or indefinitely (e.g. the / a fuel cell system, the / a control device 40 etc.) at the same time their majority should also be disclosed (eg the at least one fuel cell system, the at least one control unit 40 Etc.).

Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“).The term “essentially” (eg “essentially vertical axis”) in the context of the technology disclosed here includes the exact property or the exact value (e.g. “vertical axis”) as well as deviations that are insignificant for the function of the property / value (eg “tolerable deviation from the vertical axis”).

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The preceding description of the present invention is for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
KraftfahrzeugMotor vehicle
2020th
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
30-3530-35
BrennstoffzelleFuel cell
4040
SteuergerätControl unit

Claims (10)

Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen (30-35) in einem Brennstoffzellenstapel (20), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen (30-35); Bestimmen eines Medianwerts und/oder eines Mittelwerts der Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20); Vergleichen der Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder von Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) mit dem Medianwert und/oder dem Mittelwert; Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) von dem Mittelwert und/oder dem Medianwert um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht; und Erhöhen oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen festgestellt wurde, dass die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) von dem Mittelwert und/oder Medianwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht.A method for monitoring voltages of fuel cells (30-35) in a fuel cell stack (20), the method comprising the steps of: Detecting the voltages of the individual fuel cells (30-35); Determining a median value and / or a mean value of the voltages of a plurality of fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20); Comparing the voltage of a fuel cell (30-35) or voltages of a plurality of fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) with the median value and / or the mean value; Determining whether the voltage of a fuel cell (30-35) or a plurality of fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) deviates from the mean value and / or the median value by at least a first predetermined value; and Increasing or decreasing the amount and / or the volume flow and / or the pressure of a medium influencing the voltage of the fuel cell (30-35) on the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35) in which it was determined that the voltage of the fuel cell (30-35) deviates from the mean value and / or median value of the voltages of several of the fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) by at least the first predetermined value. Verfahren nach Anspruch 1, ferner folgenden Schritt aufweisend: Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) oder der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle (30-35) oder die Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Median und/oder im Mittel einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels (20).Procedure according to Claim 1 , further comprising the following step: determining an undersupply of the respective fuel cell (30-35) or the respective fuel cell (30-35) with a medium, if the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35), in the or to which the voltage deviates from a median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) by at least the first predetermined value, in the median and / or on the average to a distance greater by at least a second predetermined value the point of supply of the respective medium as the center point of the fuel cell stack (20). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner folgenden Schritt aufweisend: Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35).Procedure according to Claim 1 or 2 , further comprising the following step: performing an impedance measurement on the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35), in which the voltage deviates from the median value and / or mean value by more than the first predetermined value, to determine the humidity a membrane of the respective fuel cell (30-35). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen (30-35) zueinander in der Vergangenheit abhängig ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the first predetermined value is dependent on the average voltages of the fuel cells (30-35) and / or on the average voltage deviations of the fuel cells (30-35) from one another in the past. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste vorgegebene Wert der Standardabweichung der Verteilung der Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) entspricht.Method according to one of the preceding claims, wherein the first predetermined value corresponds to the standard deviation of the distribution of the voltages of the fuel cells (30-35). Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel (20) mit mehreren Brennstoffzellen (30-35) und ein Steuergerät (40) zum Überwachen der Brennstoffzellen (30-35), wobei das Steuergerät (40) zum Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen (30-35), zum Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht, und zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen die Spannung von dem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den vorgegebenen Wert abweicht, ausgebildet ist.Comprehensive fuel cell system a fuel cell stack (20) with a plurality of fuel cells (30-35) and a control device (40) for monitoring the fuel cells (30-35), wherein the control device (40) to record the voltages of the individual fuel cells (30-35), to determine whether the voltage of a fuel cell (30-35) or several fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) from a median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) by at least deviates from a first specified value, and to increase and / or decrease the amount and / or the volume flow and / or the pressure of a medium influencing the voltage of the fuel cell (30-35) on the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35), in the or where the voltage deviates from the median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) by at least the specified value, is trained. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Steuergerät (40) zum Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) oder der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle (30-35) oder die Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Median und/oder im Mittel einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels (20) ausgebildet ist.Fuel cell system according to Claim 6 , wherein the control device (40) for determining an undersupply of the respective fuel cell (30-35) or the respective fuel cell (30-35) with a medium, if the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35) which or which the voltage deviates from a median value and / or mean value of the voltages of several of the fuel cells (30-35) of the fuel cell stack (20) by at least the first predetermined value, in the median and / or on the average by at least a second predetermined value greater Have a distance from the point of supply of the respective medium than the center point of the fuel cell stack (20) is formed. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Steuergerät (40) zum Speichern von Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) ausgebildet ist, wobei der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen (30-35) zueinander in der Vergangenheit abhängig ist.Fuel cell system according to Claim 6 or 7th , wherein the control device (40) is designed to store voltages of the fuel cells (30-35), the first predetermined value from the average voltages of the fuel cells (30-35) and / or from the average voltage deviations of the fuel cells (30-35 ) is dependent on each other in the past. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6-8, wobei das Steuergerät (40) - zum Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35), - zum Vergleichen der Feuchtigkeit mit einem dritten vorgegebenen Wert, und - zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Feuchtigkeit der Membran an der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) zum Verringern des Unterschieds zwischen der bestimmten Feuchtigkeit und des dritten vorgegebenen Werts ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the Claims 6 - 8th , wherein the control device (40) - for performing an impedance measurement on the fuel cell (30-35) or the fuel cells (30-35), in which the voltage deviates by more than the first predetermined value from the median value and / or mean value, for Determining the humidity of a membrane of the respective fuel cell (30-35), - to compare the humidity with a third predetermined value, and - to increase and / or decrease the humidity of the membrane on the respective fuel cell (30-35) to reduce the difference is formed between the determined humidity and the third predetermined value. Kraftfahrzeug (10) mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6-9.Motor vehicle (10) with a fuel cell system according to one of the Claims 6 - 9 .
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