DE102020102396A1 - Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE102020102396A1
DE102020102396A1 DE102020102396.0A DE102020102396A DE102020102396A1 DE 102020102396 A1 DE102020102396 A1 DE 102020102396A1 DE 102020102396 A DE102020102396 A DE 102020102396A DE 102020102396 A1 DE102020102396 A1 DE 102020102396A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
current
modeled
characteristic curve
aging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020102396.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Kai Müller
Oscar Montoya
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102020102396.0A priority Critical patent/DE102020102396A1/de
Publication of DE102020102396A1 publication Critical patent/DE102020102396A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04582—Current of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04798—Concentration; Density of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung einer Brennstoffzellenregenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Schritte:- Ermitteln einer aktuellen U/I-Kennlinie,- Einlesen eines gemessenen Ist-Stromwerts der Brennstoffzelle in die aktuelle U/I-Kennlinie, um aus der aktuellen U/I-Kennlinie eine modellierte Spannung auszulesen,- Vergleich der modellierten Spannung mit einer gemessenen Ist-Spannung und daraus Ermittlung eines ersten modellierten Alterungsgrads (SOH),- Ermittlung einer neuen aktuellen U/I-Kennlinie, die gebildet ist aus der aktuellen U/I-Kennlinie bereinigt um den ersten modellierten Alterungsgrad (SOH), und- Prüfen, ob die neue aktuelle U/I-Kennlinie zumindest in einem ihrer Strombereiche um einen vorgegebenen Regenerations-Schwellenwert abweicht, und- bei Feststellen einer solchen Abweichung, Einleitung einer Regenerationsmaßnahme zur zumindest teilweisen Regeneration der mindestens einen Brennstoffzelle.Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung einer Regenationsmöglichkeit und/oder zur Regeneration von mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Brennstoffzellensysteme unterliegen im Laufe ihrer Lebensdauer einer Alterung. Diese Alterung besitzt einen reversiblen und einen irreversiblen Anteil. und wird durch das Absinken der Spannung in einer Spannungs-Stromkennlinie (U/I-Kennlinie) beschrieben, während ein vorgegebener Strom von der Brennstoffzelle entnommen wird. So ist zu Beginn der Lebensdauer der Brennstoffzelle das Absinken der Spannung bei dem jeweiligen Strom geringer als nach fortgeschrittener Lebensdauer. Da die Brennstoffzelle oder die Alterung der Brennstoffzelle einen reversiblen Anteil aufweist, kann die Brennstoffzelle regeneriert und so der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wieder erhöht werden.
  • Vorrichtungen und Verfahren zur Regeneration der Katalysatoren von Brennstoffzellen sind den Druckschriften JP 2010 146 747 A1 , US 2018/0 097 245 A1 und JP 2006 139 935 A1 zu entnehmen.
  • Nachteilig ist dabei, dass dem Nutzer des Brennstoffzellensystems dieser reversible Anteil der Alterung nicht ersichtlich ist, er also in anderen Worten auf diesen reversiblen Anteil nicht hingewiesen wird, so dass er dieses Potential nicht ausschöpfen kann. Damit ist ferner der Nachteil verbunden, dass das Brennstoffzellensystem nicht stets seine volle Leistung ausschöpfen kann, weil beispielsweise der Katalysator der Elektrode mit einer Oxidschicht belegt ist. Bei einem nicht regenerierten Brennstoffzellensystem ist der Innenwiderstand höher, was sich zudem negativ auf den Verbrauch auswirkt. Es lässt sich außerdem nicht zielführend die beste Regenerationsmaßnahme auswählen, die am ehesten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems führt.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welche die oben genannte Nachteile reduzieren.
  • Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und der das Brennstoffzellensystem betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
    • - Ermitteln einer aktuellen U/I-Kennlinie,
    • - Einlesen eines gemessenen Ist-Stromwerts der Brennstoffzelle in die aktuelle U/I-Kennlinie, um aus der aktuellen U/I-Kennlinie eine modellierte Spannung auszulesen,
    • - Vergleich der modellierten Spannung mit einer gemessenen Ist-Spannung und daraus Ermittlung eines ersten modellierten Alterungsgrads (SOH),
    • - Ermittlung einer neuen aktuellen U/I-Kennlinie, die gebildet ist aus der aktuellen U/I-Kennlinie bereinigt um den ersten modellierten Alterungsgrad (SOH), und
    • - Prüfen, ob die neue aktuelle U/I-Kennlinie zumindest in einem ihrer Strombereiche um einen vorgegebenen Regenerations-Schwellenwert abweicht, und
    • - bei Feststellen einer solchen Abweichung, Einleitung einer Regenerationsmaßnahme zur zumindest teilweisen Regeneration der mindestens einen Brennstoffzelle.
  • Auf diese Weise lässt sich auch der Strombereich identifizieren, in welchem ein Regenerationspotential ausschöpfbar ist, so dass auch eine dafür geeignete Regenerationsmaßnahme ausgewählt werden kann.
  • Die Regenerationsmaßnahme kann dabei ausgewählt sein aus:
    • - Durchführen eines Luft-Luft-Starts, bei dem sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite Luft vorliegt. Diese Variante dient dem Abbau einer CO-Vergiftung, die beispielsweise durch unreinen Wasserstoff entstehen kann. Hierbei reagiert das gebundene CO mit dem Sauerstoff, so dass CO2 entsteht, welches an die Umgebung abgegebenen werden kann.
    • - sauerstoffverarmter Betrieb der Brennstoffzelle, in welchem kathodenseitig ein unterstöchiometrisches Verhältnis an Sauerstoff vorliegt, um einen Platinoxidabbau auf der Kathodenseite zu begünstigen.
    • - Sleep-Betrieb der Brennstoffzelle, in welchem auf der Anodenseite Brennstoff zirkuliert und die Kathodenseite zufuhrfrei gehalten ist, womit ebenfalls kathodenseitig vorhandenes Platinoxid abgebaut wird, und
    • - Erhöhen des Drucks von einem kathodenseitig vorhandenen Verdichter. Auf diese Weise lassen sich Verblockungen in den Kanälen der Bipolarplatten lösen, wobei auch verstopfte Luftfilter oder ein gealterter Befeuchter mit einer verstärkten Leistung des Verdichters behandelt werden können.
  • Es ist die Möglichkeit gegeben, dass das Ermitteln der aktuellen U/l-Kennlinie durch eine mit einem Interpolationsfaktor gewichtete Interpolation der Werte für eine festgelegte U/I-Kennlinie für den Betriebsbeginn des Brennstoffzellensystems und der Werte für eine festgelegte U/I-Kennlinie für das Betriebsende des Brennstoffzellensystems erfolgt. Auf diese Weise kann zunächst eine aktuell erwartete U/I-Kennlinie für das Brennstoffzellensystem festgelegt werden. Der Interpolationsfaktor von 1 führt dabei beispielsweise zu der U/I-Kennlinie für den Betriebsbeginn (Begin-of-Life-Kennlinie / BOF-Kennlinie). Der Interpolationsfaktor von 0 führt dabei beispielsweise zu der U/I-Kennlinie für das Betriebsende (End-of-Life-Kennlinie / EOL-Kennlinie). Dazwischen kann lineares Verhältnis für den Interpolationsfaktor vorliegen.
  • Es ist aber alternativ von Vorteil, wenn der Interpolationsfaktor über die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems festgelegt wird und beispielsweise exponentiell abnimmt. Alternativ oder ergänzend kann der Interpolationsfaktor in Abhängigkeit einer Spannungslage oder in Abhängigkeit eines Spannungsgradienten über die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems festgelegt werden.
  • Es lassen sich sogenannte „Stromcontainer“ für eine Mehrzahl von Alterungsgraden (SOH) erzeugen. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, wenn eine Mehrzahl von gemessenen Ist-Stromwerten der Brennstoffzelle in die aktuelle U/I-Kennlinie eingelesen wird, wenn aus der aktuellen U/I-Kennlinie eine Mehrzahl von modellierten Spannungen ausgelesen wird, und wenn für Strombereiche, insbesondere jeden einzelnen Strombereich, eine Mehrzahl von modellierten Alterungsgrade (SOH) durch einen Vergleich der Mehrzahl der modellierten Spannungen mit einer jeweils zugehörigen gemessenen Ist-Spannung ermittelt werden. Alle auf diese Weise ermittelten modellierten Alterungsgrade können in einer Matrix hinterlegt werden, die auch als SOH-Matrix bezeichnet werden kann.
  • Für unterschiedliche aktuelle U/I-Kennlinien können die modellierten Alterungsgrade (SOH) ermittelt werden, wobei anschließend aus Gründen einer vereinfachten Datenverarbeitung für die einzelnen Strombereiche jeweils ein mittlerer modellierter Alterungsgrad (SOHavrg) bestimmt wird.
  • Ferner wird in vorteilhafter Weise bei der Prüfung auf Vorliegen einer Abweichung dieser mittlere modellierte Alterungsgrad (SOHavrg) mit dem vorgegebenen Referenz-Schwellwert verglichen. Vorzugsweise erfolgt für jeden Strombereich eine Prüfung auf das Vorliegen einer Abweichung, denn auf diese Weise lässt sich derjenige Strombereich identifizieren, in welchem eine reversible Regeneration möglich ist, wobei die Lage oder die Position des Strombereichs Aufschluss darüber geben, welche der geeigneten Regenerationsmaßnahmen zu ergreifen ist. In diesem Zusammenhang ist daher sinnvoll, dass eine Regenerationsmaßnahme ausgewählt wird in Abhängigkeit desjenigen Strombereichs oder derjenigen Strombereiche, in welchen eine Abweichung festgestellt wurde.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, dem kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung Kathodengas und anodenseitig von einem Brennstoffspeicher Brennstoff mittels einer Anodenzufuhrleitung zuführbar ist und einen Controller, der ausgestaltet ist zur Steuerung und zum Initiieren der vorstehend genannten Verfahren.
  • Die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführten Vorteile sind dabei auch auf das Brennstoffzellensystem anwendbar, sodass das Brennstoffzellensystem den Vorteil aufweist, dass es immer seiner volle Leistungsperformance im Rahmen der reversiblen Alterung abrufen kann und sein Kraftstoffverbrauch gesenkt ist, weil es häufiger in einem optimalen Zustand mit höherer Effizienz betrieben wird. Die Abwärme des Brennstoffzellensystems sinkt und es kann zielgerichtet eine Regenerationsmaßnahme ergriffen werden.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
    • 1 eine Mehrzahl von aktuellen Spannungs-Strom-Kennlinien (U/l-Kennlinien) nach unterschiedlichen Betriebsdauern des Brennstoffzellensystems und die Einteilung dieser in Strombereiche, zu denen einzelne modellierte Alterungsgrade (SOH) ermittelt werden,
    • 2 die für die einzelnen Strombereiche und die einzelnen aktuellen U/I-Kennlinien modellierten Alterungsgrade, die strombereichsbezogen gemittelt werden und somit zu mittleren SOH-Werten führen,
    • 3 die Vergleichsprüfung der gemittelten Alterungsgrade mit Regenerations-Schwellenwerten, um zu prüfen, ob und welche Regenerationsmaßnahme zu ergreifen ist, und
    • 4 eine Gegenüberstellung von einer nach einer Regenerationsprozedur gemessenen U/I-Kennlinie und von mehreren modellierten U/I-Kennlinien vor und nach einer Regenerationsprozedur.
  • Ein Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem ist aus einer Mehrzahl von in einer Stapelrichtung übereinandergestapelten Brennstoffzellen gebildet. Die Brennstoffzelle selber umfasst dabei eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die in einer Membranelektrodenanordnung zusammengefasst sind. Die Membran ist als ein Polymer vorzugsweise aus einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbonmembran gebildet sein. In den Anoden und/oder in den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassende Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Dem Anodenraum einer Brennstoffzelle wird wasserstoffhaltiger Brennstoff zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Membran lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. Anodenseitig findet die folgende Reaktion statt: 2H2 → 4H+ + 4e-. Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Den Kathodenräumen einer Brennstoffzelle wird Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O. Die in einer Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion führt somit zur Erzeugung von Produktwasser.
  • Die Brennstoffzelle verfügt beidseitig der Membranelektrodenanordnung zum Einen über Gasdiffusionsschichten und zum Anderen über Bipolarplatten, in denen zum Einen Strömungskanäle für die Reaktanten und zum Anderen Leitungen für ein Kühlmittel ausgebildet sind. Die Bipolarplatten werden also genutzt, um den Wasserstoff und den Sauerstoff zur Membranelektrodenanordnung zu leiten und mithilfe der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig zu verteilen.
  • Um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle auch langfristig auf einem hohen Niveau zu halten, können Regenerationsmaßnahmen an der Brennstoffzelle vorgenommen werden. Dabei weist eine Brennstoffzelle sowohl reversible als auch irreversible Anteile von Alterung bzw. von Schäden auf. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle kann also im Rahmen seiner natürlichen Alterung durch Beseitigung oder Reduzierung der reversiblen Schäden verbessert werden.
  • Für die Bewertung des Vorliegens von Regenerationspotentialen sowie für die Identifizierung der wirksamsten Regenerationsmaßnahme wird das erfindungsgemäße Verfahren genutzt, welches von dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit dem zugehörigen Controller durchführbar ist.
  • In einem ersten Schritt wird hierbei eine (erwartete) aktuelle U/I-Kennlinie ermittelt. Dies erfolgt durch eine Interpolation zwischen den Werten für eine festgelegte U/I-Kennlinie für den Betriebsbeginn (BOL-Kennlinie) des Brennstoffzellensystems und der Werte für eine festgelegte U/I-Kennlinie für das Betriebsende (EOL-Kennlinie) des Brennstoffzellensystems. Die Interpolation erfolgt dabei mit einem Interpolationsfaktor, der über die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems festgelegt wird, und/oder der in Abhängigkeit einer Spannungslage oder in Abhängigkeit eines Spannungsgradienten über die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems festgelegt wird.
  • In diese aktuelle U/I-Kennlinie wird dann der gemessene Ist-Strom eingelesen, wobei der gemessene Ist-Stromwert der Brennstoffzelle zu einem modellierten Spannungswert der aktuellen U/I-Kennlinie führt. Diese modellierte Spannung wird dann dazu genutzt, um sie ins Verhältnis zu einer gemessenen Ist-Spannung zu setzen, woraus sich dann ein modellierter Alterungsgrad (SOH) ergibt.
  • Vorliegend wird eine Mehrzahl von gemessenen Ist-Stromwerten der Brennstoffzelle in die aktuelle U/I-Kennlinie eingelesen, so dass aus der aktuellen U/I-Kennlinie eine Mehrzahl von modellierten Spannungen ausgelesen wird, und so für die mehreren Strombereiche eine Mehrzahl von modellierten Alterungsgraden (SOH) durch Vergleich der Mehrzahl der modellierten Spannungen mit einer jeweils zugehörigen gemessenen Ist-Spannung ermittelt werden. Auf diese Weise liegen also für die aktuelle U/I-Kennlinie - stromabhängig/strombereichsabhängig - eine Vielzahl von einzelnen modellierten Alterungsgraden (in 1: SOH1 bis SOH8) vor.
  • Dieses Verfahren wird auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsdauern durchgeführt, so dass für eine Mehrzahl solcher aktueller U/I-Kennlinien die modellierten Alterungsgrade (SOH) ermittelt werden. Diese Konstellation ist in 1 illustriert, bei der die oberste Kennlinie beispielsweise die BOL-Kennlinie darstellt und bei der die unterste Kennlinie beispielsweise die EOL-Kennlinie darstellt, wobei für jede Kennlinie ein eigener modellierter Alterungsgrad für jeden einzelnen Strombereich ermittelt wird.
  • Strombereichsbezogen wird dann der Mittelwert gebildet aus den SOH1_avrg bis SOH8_avrg für die einzelnen aktuellen U/I-Kennlinien, wie in 2 illustriert ist.
  • Diese so für die einzelnen Strombereiche bestimmten, gemittelten, modellierten Alterungsgrade SOHavrg werden mit in einem Speicher hinterlegten Regenerations-Schwellenwerten verglichen und es wird geprüft, ob diese strombereichsbezogen um diesen vorgegebenen Regenerations-Schwellenwert abweichen (3). Gegebenenfalls wird auch die Position oder Lage ermittelt, wo eine Abweichung gegeben ist, so dass daraus auf die zu ergreifende Regenerationsmaßnahme geschlossen werden und diese sodann ausgeführt werden kann.
  • Nach der geeigneten Regenerationsmaßnahme liegt dann wiederum eine neue U/I-Kennlinie vor, wie sich aus 4 ergibt. Dabei ist zu erkennen, dass die um die Alterungsgrade bereinigte U/I-Kennlinie (A) vor der Regenerationsprozedur deutlich hinter derjenigen um die Alterungsgrade bereinigte U/I-Kennlinie (B) nach der Regenerationsprozedur zurückbleibt. Die gemessene U/I-Kennlinie (C) nach der Regenerationsprozedur ist sehr nah an der modellierten U/I-Kennlinie (B) gelegen. Zusätzlich ist der Vollständigkeit halber die dem SOH-Modell zugrunde liegende Modell-U/I-Kennlinie (D) illustriert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnen sich dadurch aus, dass stets die volle Leistungsperformance im Rahmen der reversiblen Alterung abgerufen werden kann und der Kraftstoffverbrauch gesenkt ist, weil häufiger ein optimaler Zustand mit höherer Effizienz vorliegt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2010146747 A1 [0003]
    • US 2018/0097245 A1 [0003]
    • JP 2006139935 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Identifizierung einer Brennstoffzellenregenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Schritte: - Ermitteln einer aktuellen U/I-Kennlinie, - Einlesen eines gemessenen Ist-Stromwerts der Brennstoffzelle in die aktuelle U/I-Kennlinie, um aus der aktuellen U/I-Kennlinie eine modellierte Spannung auszulesen, - Vergleich der modellierten Spannung mit einer gemessenen Ist-Spannung und daraus Ermittlung eines ersten modellierten Alterungsgrads (SOH), - Ermittlung einer neuen aktuellen U/I-Kennlinie, die gebildet ist aus der aktuellen U/I-Kennlinie bereinigt um den ersten modellierten Alterungsgrad (SOH), und - Prüfen, ob die neue aktuelle U/I-Kennlinie zumindest in einem ihrer Strombereiche um einen vorgegebenen Regenerations-Schwellenwert abweicht, und - bei Feststellen einer solchen Abweichung, Einleitung einer Regenerationsmaßnahme zur zumindest teilweisen Regeneration der mindestens einen Brennstoffzelle.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der aktuellen U/I-Kennlinie erfolgt durch eine mit einem Interpolationsfaktor gewichtete Interpolation der Werte für eine festgelegte U/I-Kennlinie für den Betriebsbeginn des Brennstoffzellensystems und der Werte für eine festgelegte U/I-Kennlinie für das Betriebsende des Brennstoffzellensystems.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Interpolationsfaktor über die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems festgelegt wird, und/oder dass der Interpolationsfaktor mit einer Spannungslage oder einem Spannungsgradienten über die Betriebszeit des Brennstoffzellensystems festgelegt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von gemessenen Ist-Stromwerten der Brennstoffzelle in die aktuelle U/I-Kennlinie eingelesen wird, dass aus der aktuellen U/I-Kennlinie eine Mehrzahl von modellierten Spannungen ausgelesen wird, und dass für einzelne Strombereiche eine Mehrzahl von modellierten Alterungsgrade (SOH) durch Vergleich der Mehrzahl der modellierten Spannungen mit einer jeweils zugehörigen gemessenen Ist-Spannung ermittelt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Mehrzahl an aktuellen U/I-Kennlinien die modellierten Alterungsgrade (SOH) ermittelt werden, und dass für die einzelnen Strombereiche jeweils ein mittlerer modellierter Alterungsgrad (SOHavrg) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Prüfung auf Vorliegen einer Abweichung der mittlere modellierte Alterungsgrad (SOHavrg) mit dem vorgegebenen Referenz-Schwellwert verglichen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Strombereich eine Prüfung auf das Vorliegen einer Abweichung erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regenerationsmaßnahme ausgewählt wird in Abhängigkeit desjenigen Strombereichs oder derjenigen Strombereiche, in welchen eine Abweichung festgestellt wurde.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsmaßnahme ausgewählt ist aus: - Durchführen eines Luft-Luft-Starts, - sauerstoffverarmter Betrieb der Brennstoffzelle, in welchem kathodenseitig ein unterstöchiometrisches Verhältnis an Sauerstoff vorliegt, - Sleep-Betrieb der Brennstoffzelle, in welchem auf der Anodenseite Brennstoff zirkuliert und die Kathodenseite zufuhrfrei gehalten ist, und - Erhöhen des Drucks von einem kathodenseitig vorhandenen Verdichter.
  10. Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, dem kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung Kathodengas und anodenseitig von einem Brennstoffspeicher Brennstoff mittels einer Anodenzufuhrleitung zuführbar ist und mit einem Controller, der ausgestaltet ist zur Steuerung und zum Initiieren des Verfahrens.
DE102020102396.0A 2020-01-31 2020-01-31 Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem Pending DE102020102396A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020102396.0A DE102020102396A1 (de) 2020-01-31 2020-01-31 Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020102396.0A DE102020102396A1 (de) 2020-01-31 2020-01-31 Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020102396A1 true DE102020102396A1 (de) 2021-08-05

Family

ID=76853361

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020102396.0A Pending DE102020102396A1 (de) 2020-01-31 2020-01-31 Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020102396A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006139935A (ja) 2004-11-10 2006-06-01 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2010146747A (ja) 2008-12-16 2010-07-01 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムとこれを用いた発電方法
US20180097245A1 (en) 2016-10-04 2018-04-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Output performance recovering device for fuel cell and output performance recovering method for fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006139935A (ja) 2004-11-10 2006-06-01 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2010146747A (ja) 2008-12-16 2010-07-01 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムとこれを用いた発電方法
US20180097245A1 (en) 2016-10-04 2018-04-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Output performance recovering device for fuel cell and output performance recovering method for fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2003012904A2 (de) Verfahren zur regelung der methanolkonzentration in direkt-methanol-brennstoffzellen
DE102005045926B4 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102019211595A1 (de) Brennstoffzellenstapel, Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels sowie Kraftfahrzeug
DE102019133094A1 (de) Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
WO2021073881A1 (de) Verfahren zum inbetriebsetzen eines brennstoffzellen-stack
DE102020113105A1 (de) Verfahren zum Ausschalten einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102018129660A1 (de) Verfahren zur Regeneration von mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102019209767A1 (de) Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
DE102020123782A1 (de) Verfahren zur Unterscheidung der Ursache von Spannungsverlusten bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen
DE102020102396A1 (de) Verfahren zur Identifizierung einer Regenerationsmöglichkeit mindestens einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem
DE102018132755A1 (de) System und verfahren zur mea-konditionierung in einer brennstoffzelle
DE102020115662A1 (de) Verfahren zur Bestimmung der thermischen Alterung eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellensystem
DE102019128422A1 (de) Verfahren zum Neustart einer Brennstoffzellenvorrichtung nach einem vorherigen Abstellen, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
DE102019133095A1 (de) Verfahren zum Durchführen einer Testmessung an einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
DE102021207855A1 (de) Verfahren zur Überwachung einer elektrochemische Zelleneinheit
DE102020100599A1 (de) Verfahren für einen Froststart eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem solchen
DE102020108813A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen
DE102019128420A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
DE102021115086B3 (de) Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102019128419A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
DE102012104792A1 (de) Verfahren zur Früherkennung von Membranausfällen von Brennstoffzellenstapeln und Komponentenfehlern eines Brennstoffzellensystems
EP4193406B1 (de) Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenvorrichtung, brennstoffzellenvorrichtung sowie kraftfahrzeug mit einer brennstoffzellenvorrichtung
DE102020112916A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen
DE102022101359A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102020102692A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE