DE102021212618A1

DE102021212618A1 - Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, Systemsteuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und Brennstoffzellensystem mit einer solchen Systemsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE102021212618A1
Application number: DE102021212618.9A
Authority: DE
Inventors: Manuel Boog; Thomas Köser; Julian Nicolaas Bär
Original assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2023-05-11
Also published as: WO2023083764A3; CA3237032A1; WO2023083764A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems (1), das mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5), mindestens eine Stromspeichervorrichtung (7) und eine Systemsteuervorrichtung (3) aufweist, wobei- durch die Systemsteuervorrichtung (3) eine Anlagenleistung erfasst wird, wobei- an dem ersten Brennstoffzellenmodul (5.1) ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt wird, wobei- dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird, wobei- eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul (5.2) der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5) und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung (7) mittels der Systemsteuervorrichtung (3) derart eingestellt werden, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt, wobei- mindestens ein erster Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt wird, wobei- anhand des mindestens einen ermittelten ersten Betriebswerts ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, eine Systemsteuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Systemsteuervorrichtung.
Es sind Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems mit mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen bekannt, bei welchen in jedem Brennstoffzellenmodul des Brennstoffzellensystems mittels einer jeweiligen dezentralen Steuervorrichtung ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls dezentral bestimmt wird. Nachteilig daran ist, dass ein Informationsaustausch zwischen den dezentralen Steuervorrichtungen der Brennstoffzellenmodule und somit ein Quervergleich nicht möglich ist.
Darüber hinaus wird eine Verbraucherstromlast auf die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule des Brennstoffzellensystems verteilt. Daher ist eine Diagnose des Brennstoffzellensystems abhängig von der Verbraucherstromlast. Nachteilig daran ist, dass eine Variation des Lastpunktes insbesondere eines Brennstoffzellenmoduls und somit eine umfassende Diagnose des Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines regulären Betriebs, nur schwer durchführbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, eine Systemsteuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Systemsteuervorrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben, vorzugsweise vermieden sind.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, das mindestens zwei Brennstoffzellenmodule, mindestens eine Stromspeichervorrichtung und eine Systemsteuervorrichtung aufweist, geschaffen wird, wobei durch die Systemsteuervorrichtung eine Anlagenleistung erfasst wird. An dem ersten Brennstoffzellenmodul wird ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt, wobei dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird. Weiterhin werden eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung mittels der Systemsteuervorrichtung derart eingestellt, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt. Weiterhin, insbesondere anschließend, wird mindestens ein erster Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt, wobei anhand des mindestens einen ersten Betriebswerts ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls ermittelt wird.
Vorteilhafterweise ist es mittels des Verfahrens möglich, einen Zustand eines Brennstoffzellenmoduls unabhängig von der erfassten Anlagenleistung zu bestimmen. Weiterhin kann daher vorteilhafterweise ein beliebiger Lastpunkt an einem Brennstoffzellenmodul eingestellt werden, sodass es insbesondere möglich ist, eine komplette Bandbreite der Lastpunkte, insbesondere von Niedrig-Last bis Voll-Last, zu untersuchen. Vorteilhafterweise ist es mittels des Verfahrens zusätzlich möglich, den Zustand und/oder ein Alterungsverhalten des Brennstoffzellensystems insbesondere vor einem Eintreten eines Fehlers zu überwachen, und insbesondere das Brennstoffzellenmodul und/oder Brennstoffzellensystem basierend auf dem Zustand eines Brennstoffzellenmoduls und/oder des Brennstoffzellensystems zu warten.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren zur Diagnose des Brennstoffzellensystems während eines regulären Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden kann, und somit ein unterbrechungsfreier Betrieb des Brennstoffzellensystems gewährleistet werden kann.
In einer Ausführungsform wird das Verfahren autonom, insbesondere automatisch oder automatisiert, insbesondere ohne Personalaufwand, insbesondere als Eigendiagnoseverfahren durchgeführt. Besonders bevorzugt wird das Verfahren lokal innerhalb des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Alternativ wird das Verfahren vorzugsweise zumindest teilweise in einer externen Recheneinrichtung durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Betriebswert und damit insbesondere der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls stationär ermittelt. Dazu wird der vorbestimmte Lastpunkt vorgegeben. Anschließend erfolgt vorzugsweise eine Einschwingphase des Brennstoffzellensystems, um den vorbestimmten Lastpunkt einzustellen, bevor der erste Betriebswert ermittelt wird. Zusätzlich wird vorzugsweise während der Ermittlung des ersten Betriebswertes der vorbestimmte Lastpunkt konstant gehalten, vorzugsweise nahezu konstant - insbesondere mit einer Abweichung von höchstens 10 %, vorzugsweise von höchstens 5 %.
Weiterhin erfolgt damit vorteilhafterweise eine Diagnose eines Brennstoffzellenmoduls und/oder des Brennstoffzellensystems und vorzugsweise ein Quervergleich zwischen einer Mehrzahl an Brennstoffzellenmodulen auf Systemebene.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre wird die Leistung unter Beachtung der Flussrichtung der elektrischen Energie betrachtet. Insbesondere ist eine positive Leistung einer Komponente eine Leistung, welche von der betrachteten Komponente - insbesondere einem Brennstoffzellenmodul der Mehrzahl an Brennstoffzellenmodulen, der Stromspeichervorrichtung oder einer externen Anlage - abgegeben wird, wobei die betrachtete Komponente Energie abgibt. Insbesondere ist eine negative Leistung der Komponente eine Leistung, welche an der Komponente - insbesondere der Stromspeichervorrichtung und der externen Anlage - erbracht wird, wobei die Komponente Energie aufnimmt.
Insbesondere ist die mindestens eine Stromspeichervorrichtung als unterbrechungsfreie Stromversorgung ausgebildet.
Vorzugsweise weist die mindestens eine Stromspeichervorrichtung mindestens ein Stromspeicherelement auf. Vorzugsweise weist die mindestens eine Stromspeichervorrichtung zusätzlich mindestens einen Inverter auf, der vorzugsweise zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und/oder zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Inverter vorzugsweise als Gleichspannungswandler, insbesondere als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist der Inverter vorzugsweise eingerichtet, um eine erste Wechselspannung mit einer ersten Amplitude und einer ersten Frequenz in eine zweite Wechselspannung mit einer zweiten Amplitude und einer zweiten Frequenz zu wandeln, wobei die erste Amplitude und die zweite Amplitude und/oder die erste Frequenz und die zweite Frequenz verschieden sind.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Stromspeicherelement als Batterie ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das mindestens eine Stromspeicherelement als Kondensator oder Ultrakondensator ausgebildet.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre sind die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, vorzugsweise mittels Oxidation eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, eingerichtet. Somit sind die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule als Energiequellen ausgebildet. Vorzugsweise wird die elektrische Energie als Gleichstrom von den mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen insbesondere an die Stromspeichervorrichtung übertragen.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre ist die Anlagenleistung eine Leistung, welche in Summe durch alle mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen externen Anlagen von dem Brennstoffzellensystem angefordert wird oder von allen mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen externen Anlagen an das Brennstoffzellensystem übertragen wird. Alternativ ist die erfasste Anlagenleistung Null, sodass keine Leistung von dem Brennstoffzellensystem angefordert oder an das Brennstoffzellensystem übertragen wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist genau eine externe Anlage mit dem Brennstoffzellensystem verbunden, sodass die erfasste Anlagenleistung von der genau einen externen Anlage bestimmt wird. Alternativ ist vorzugsweise eine Mehrzahl an externen Anlagen mit dem Brennstoffzellensystem verbunden, sodass die erfasste Anlagenleistung von der Mehrzahl an externen Anlagen als Summe von Einzel-Anlagenleistungen der einzelnen externen Anlagen bestimmt wird. Die Einzel-Anlagenleistungen können dabei einzeln jeweils positiv oder negativ sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine externe Anlage ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Rechenzentrum, einem Krankenhaus, einer Industrieanlage, einem Verbrennungsmotor mit einem mit dem Verbrennungsmotor antriebswirkverbundenen Generator, einer Gasturbine mit einem mit der Gasturbine antriebswirkverbundenen Generator, und einer Anlage zur Bereitstellung von erneuerbarer Energie, insbesondere einer Photovoltaikanlage und/oder einer Windkraftanlage. Insbesondere sind das Rechenzentrum, das Krankenhaus und die Industrieanlage vorzugsweise als Energiesenken ausgebildet. Weiterhin sind insbesondere der Verbrennungsmotor mit dem antriebswirkverbundenen Generator, die Gasturbine mit dem antriebswirkverbundenen Generator und die Anlage zur Bereitstellung von erneuerbarer Energie vorzugsweise als Energiequellen ausgebildet und vorzugsweise eingerichtet, um elektrische Energie an das Brennstoffzellensystem, insbesondere an die Stromspeichervorrichtung, zu übertragen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Brennstoffzellenmodule jeweils mindestens einen Brennstoffzellenstapel, bevorzugt eine Mehrzahl an Brennstoffzellenstapel, eine Modulsteuervorrichtung und eine Modulversorgungsvorrichtung auf. Die Modulversorgungsvorrichtung weist insbesondere eine Brennstoffzuleitung, eine Oxidationsmittelzuleitung, eine Abluftableitung, eine Kühlmittelleitung und eine Energieweiterleitungsvorrichtung auf. Die Modulsteuervorrichtung ist vorzugsweise mit der Modulversorgungsvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet zu deren Ansteuerung. Zusätzlich ist die Modulsteuervorrichtung vorzugsweise mit der Systemsteuervorrichtung wirkverbunden. Alternativ oder zusätzlich ist die Modulsteuervorrichtung insbesondere eingerichtet, um den vorbestimmten Lastpunkt des zugehörigen Brennstoffzellenmoduls einzustellen.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule und die mindestens eine Stromspeichervorrichtung derart miteinander verbunden, dass ein Austausch von Energie, insbesondere von elektrischer Energie, durchgeführt werden kann. Insbesondere kann die von mindestens einem Brennstoffzellenmodul bereitgestellte elektrische Energie zur Speicherung an die mindestens eine Stromspeichervorrichtung geleitet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Betriebswert ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Stromstärke-Spannungs-Wertepaar, welches insbesondere als Wert einer Stromstärke-Spannungs-Kennlinie bestimmt wird, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck, einer Drehzahl eines Turboladers, einem Regenerationszustand des ersten Brennstoffzellenmoduls, einer elektrischen Leitfähigkeit eines zur Kühlung des ersten Brennstoffzellenmoduls verwendeten Kühlmittels, einem Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellenmoduls und einer Brennstoff-Konzentration, insbesondere einer Wasserstoff-Konzentration, in einer Abluft des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist die Temperatur ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Brennstoff-Temperatur, insbesondere einer Wasserstoff-Temperatur, einer Oxidationsmittel-Temperatur, insbesondere einer Sauerstoff-Temperatur, einer Abluft-Temperatur, insbesondere einer Wasserdampf-Temperatur, und einer Kühlmittel-Temperatur des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Volumenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Volumenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Volumenstrom, einem Oxidationsmittel-Volumenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Volumenstrom, einem Abluft-Volumenstrom, insbesondere einem Wasserdampf-Volumenstrom, und einem Kühlmittel-Volumenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Massenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Massenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Massenstrom, einem Oxidationsmittel-Massenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Massenstrom, einem Abluft-Massenstrom, insbesondere einem Wasserdampf-Massenstrom, und einem Kühlmittel-Massenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Druck ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Druck, insbesondere einem Wasserstoff-Druck, einem Oxidationsmittel-Druck, insbesondere einem Sauerstoff-Druck, einem Abluft-Druck, insbesondere einem Wasserdampf-Druck, und einem Kühlmittel-Druck des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten eine Mehrzahl an Zuständen des ersten Brennstoffzellenmoduls stationär oder quasistationär oder dynamisch bestimmt wird.
Insbesondere wird eine quasistationäre Bestimmung der Mehrzahl an Zuständen für die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten realisiert, indem die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten zeitlich nacheinander derart eingestellt werden, dass zu jedem vorbestimmten Lastpunkt der Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten eine stationäre oder zumindest annähernd stationäre Bestimmung des jeweiligen Zustands des Brennstoffzellenmoduls möglich ist.
Vorteilhafterweise kann eine quasistationäre Stromstärke-Spannungs-Kennlinie auf eine Fehlfunktion des untersuchten Brennstoffzellenmoduls, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls, hinweisen.
Vorteilhafterweise wird bei einer dynamischen Abfolge der Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten und damit einer dynamischen Bestimmung der Mehrzahl an Zuständen des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls das Brennstoffzellensystem dynamisch angeregt. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, eine Reaktion des Brennstoffzellensystems auf einen Lastwechsel, insbesondere ein Übertragungsverhalten des Brennstoffzellensystems, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule, zu bestimmen. Insbesondere wird eine Sprungantwort einer Größe, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus der Spannung des Brennstofftzellensystems, der Stromstärke des Brennstoffzellensystems, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck und einer Drehzahl eines Turboladers, betrachtet, um das Übertragungsverhalten zu bestimmen.
Insbesondere ist die Temperatur ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Brennstoff-Temperatur, insbesondere einer Wasserstoff-Temperatur, einer Oxidationsmittel-Temperatur, insbesondere einer Sauerstoff-Temperatur, einer Abluft-Temperatur, insbesondere einer Wasserdampf-Temperatur, und einer Kühlmittel-Temperatur des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Volumenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Volumenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Volumenstrom, einem Oxidationsmittel-Volumenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Volumenstrom, einem Abluft-Volumenstrom, insbesondere einem Wasserdampf-Volumenstrom, und einem Kühlmittel-Volumenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Massenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Massenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Massenstrom, einem Oxidationsmittel-Massenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Massenstrom, einem Abluft-Massenstrom, insbesondere einem Wasserdampf-Massenstrom, und einem Kühlmittel-Massenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Druck ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Druck, insbesondere einem Wasserstoff-Druck, einem Oxidationsmittel-Druck, insbesondere einem Sauerstoff-Druck, einem Abluft-Druck, insbesondere einem Wasserdampf-Druck, und einem Kühlmittel-Druck des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls ermittelt wird, indem der ermittelte erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls mit einem ermittelten zweiten Betriebswert des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenmoduls verglichen wird, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls basierend auf dem Vergleich ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls ermittelt, indem der ermittelte erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls mit einem digitalen Zwillingsmodel des ersten Brennstoffzellenmoduls verglichen wird, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls basierend auf dem Vergleich ermittelt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls mit dem zweiten Betriebswert des zweiten Brennstoffzellenmoduls verglichen, wobei vorzugsweise die den jeweiligen Betriebswerten zugehörigen Lastpunkte nahezu identisch sind, sodass ein zuverlässiger Vergleich der Betriebswerte möglich ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die insbesondere quasistationäre Stromstärke-Spannungs-Kennlinie des ersten Brennstoffzellenmoduls mit einer insbesondere quasistationären Stromstärke-Spannungs-Kennlinie des zweiten Brennstoffzellenmoduls verglichen. Insbesondere weisen Abweichungen in den jeweiligen zeitlichen Ableitungen, insbesondere in den Steigungen der Stromstärke-Spannungs-Kennlinien und/oder in den Krümmungen der Stromstärke-Spannungs-Kennlinien, auf ein fehlerhaftes Brennstoffzellenmodul hin.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das digitale Zwillingsmodell des ersten Brennstoffzellenmoduls anhand von gemittelten, insbesondere historischen Betriebsdaten des Brennstoffzellensystems und/oder des ersten Brennstoffzellenmoduls berechnet wird.
Vorzugsweise wird das digitale Zwillingsmodell anhand der gemittelten, insbesondere historischen Betriebsdaten kontinuierlich, insbesondere über eine gesamte Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems aktualisiert. Alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise das digitale Zwillingsmodell mittels einer modellbasierten Fehleridentifikation weiterentwickelt, um insbesondere eine möglichst gute Fehlereingrenzung zu gewährleisten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten einen zeitlichen Lastverlauf bilden. Vorzugsweise wird der zeitliche Lastverlauf zusammengesetzt aus mindestens einer Funktion, ausgewählt aus einer Sprungfunktion, einer Rechteckfunktion, einer linearen Funktion, und einer Sinusfunktion, und/oder einer Überlagerung von mindestens zwei Funktionen, insbesondere mindestens zwei Funktionen ausgewählt aus mindestens einer Sprungfunktion, mindestens einer Rechteckfunktion, mindestens einer linearen Funktion, und mindestens einer Sinusfunktion.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine vorbestimmte Anzahl an Brennstoffzellenmodulen, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul, der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule mindestens ein Zustand, vorzugsweise eine Mehrzahl an Zuständen, des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls iterativ ermittelt wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Systemsteuervorrichtung zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems geschaffen wird, wobei die Systemsteuervorrichtung eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Die Systemsteuervorrichtung ist vorzugsweise als Rechenvorrichtung, besonders bevorzugt als Computer, oder als Steuergerät insbesondere als Steuergerät eines Brennstoffzellensystems, ausgebildet. In Zusammenhang mit der Systemsteuervorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Systemsteuervorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um mit den mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen und der mindestens einen Stromspeichervorrichtung wirkverbunden zu werden, und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung. Insbesondere ist die Systemsteuervorrichtung besonders bevorzugt eingerichtet, um mit den Modulsteuervorrichtungen der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule wirkverbunden zu werden, und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen, mindestens einer Stromspeichervorrichtung und einer erfindungsgemäßen Systemsteuervorrichtung oder einer Systemsteuervorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird. In Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Systemsteuervorrichtung erläutert wurden.
Die Systemsteuervorrichtung ist bevorzugt mit den mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen und der mindestens einen Stromspeichervorrichtung wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung. Insbesondere ist die Systemsteuervorrichtung besonders bevorzugt mit den Modulsteuervorrichtung der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
2 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems,
3 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems,
4 ein Flussdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems,
5 ein Flussdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems, und
6 ein Flussdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Systemsteuervorrichtung 3, ein erstes Brennstoffzellenmodul 5.1, ein zweites Brennstoffzellenmodul 5.2 und eine Stromspeichervorrichtung 7 auf. Jedes Brennstoffzellenmodul 5 der zwei Brennstoffzellenmodule 5 weist jeweils eine Modulsteuervorrichtung 9, insbesondere das erste Brennstoffzellenmodul 5.1 eine erste Modulsteuervorrichtung 9.1 und das zweite Brennstoffzellenmodul 5.2 eine zweite Modulsteuervorrichtung 9.2, jeweils einen Brennstoffzellenstapel 11, insbesondere das erste Brennstoffzellenmodul 5.1 einen ersten Brennstoffzellenstapel 11.1 und das zweite Brennstoffzellenmodul 5.2 einen zweiten Brennstoffzellenstapel 11.2, und jeweils eine Modulversorgungsvorrichtung 13, insbesondere das erste Brennstoffzellenmodul 5.1 eine erste Modulversorgungsvorrichtung 13.1 und das zweite Brennstoffzellenmodul 5.2 eine zweite Modulversorgungsvorrichtung 13.2, auf.
Die Systemsteuervorrichtung 3 ist in nicht explizit dargestellter Weise mit den Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere den Modulsteuervorrichtungen 9, und der Stromspeichervorrichtung 7 wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die erste Modulsteuervorrichtung 9.1 ist in nicht explizit dargestellter Weise mit der ersten Modulversorgungsvorrichtung 13.1 und vorzugsweise dem ersten Brennstoffzellenstapel 11.1 wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die zweite Modulsteuervorrichtung 9.2 ist in nicht explizit dargestellter Weise mit der zweiten Modulversorgungsvorrichtung 13.2 und vorzugsweise dem zweiten Brennstoffzellenstapel 11.2 wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere die Brennstoffzellenmodule 5, insbesondere die Modulversorgungsvorrichtungen 13, mit einem hier nicht dargestellten Brennstofftank oder einer Brennstoffleitung verbunden.
Alternativ oder zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 1 vorzugsweise mit mindestens einer externen Anlage 15 zur Übertragung von elektrischer Energie verbunden.
Optional ist das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere die Stromspeichervorrichtung 7, mit einer Einrichtung 17 zur Bereitstellung von erneuerbarer Energie, insbesondere einer Photovoltaikanlage und/oder einer Windkraftanlage, zur Übertragung von elektrischer Energie verbunden.
Zusätzlich ist insbesondere die Systemsteuervorrichtung 3 eingerichtet, um vorzugsweise ein Verfahren zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1 nach einem oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
In einem ersten Schritt S1 wird ein Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - das erste Brennstoffzellenmodul 5.1, ausgewählt.
In einem zweiten Schritt S2 wird an dem ausgewählten Brennstoffzellenmodul 5, insbesondere dem ersten Brennstoffzellenmodul 5.1, ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt, wobei dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird.
In einem dritten Schritt S3 wird eine Anlagenleistung erfasst. Vorzugsweise wird die Anlagenleistung von der mindestens einer externen Anlage 15 oder einer Mehrzahl an externen Anlagen 15 vorgegeben.
Vorzugsweise werden der zweite Schritt S2 und der dritte Schritt S3 gleichzeitig durchgeführt. Alternativ wird vorzugsweise zeitlich zuerst der zweite Schritt S2 und zeitlich danach der dritte Schritt S3 durchgeführt. Alternativ wird vorzugsweise zeitlich zuerst der dritte Schritt S3 und zeitlich danach der zweite Schritt S2 durchgeführt.
In einem vierten Schritt S4 werden eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - an dem zweiten Brennstoffzellenmodul 5.2, und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung 7 derart eingestellt, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt.
In einem fünften Schritt S5 wird mindestens ein erster Betriebswert des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt. Vorzugsweise ist der mindestens eine erste Betriebswert ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Stromstärke-Spannungs-Wertepaar, welches insbesondere als Wert einer Stromstärke-Spannungs-Kennlinie bestimmt wird, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck, einer Drehzahl eines Turboladers, einem Regenerationszustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, einer elektrischen Leitfähigkeit eines zur Kühlung des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere der ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, verwendeten Kühlmittels, einem Wirkungsgrad des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, und einer Wasserstoff-Konzentration in einer Abluft des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1.
In einem sechsten Schritt S6 wird anhand des mindestens einen ersten Betriebswerts ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, ermittelt.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Zusätzlich zu den Schritten S1 bis S6 aus 2 wird, insbesondere vor der Ausführung des sechsten Schritts S6, in einem siebten Schritt S7 mindestens ein zweiter Betriebswert des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - des zweiten Brennstoffzellenmoduls 5.2, ermittelt.
Alternativ oder zusätzlich zu dem siebten Schritt S7 wird insbesondere vor dem siebten Schritt S7 in einem achten Schritt S8 ein digitales Zwillingsmodel des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, bereitgestellt. Vorzugsweise wird das digitale Zwillingsmodel des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, anhand von gemittelten, insbesondere historischen Betriebsdaten berechnet.
In dem sechsten Schritt S6 wird dann der Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, basierend auf einem Vergleich des mindestens einen ersten Betriebswertes und des mindestens einen zweiten Betriebswertes ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird in dem sechsten Schritt S6 der Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, basierend auf einem Vergleich des mindestens einen ersten Betriebswertes mit dem digitalen Zwillingsmodell ermittelt.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
In dem ersten Schritt S1 wird, analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus 2 und dem zweiten Ausführungsbeispiel aus 3, ein Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1 ausgewählt.
In einem neunten Schritt S9 wird vorzugsweise das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1 aus 2, insbesondere die Schritte S2 bis S6, durchgeführt. Alternativ wird in dem neunten Schritt S9 vorzugsweise das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus 3, insbesondere die Schritte S2 bis S7 und/oder die Schritte S2 bis S8, durchgeführt.
In einem zehnten Schritt S 10 wird geprüft, ob für eine vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird das Verfahren in einem elften Schritt S 11 beendet.
Falls die vorbestimmte Anzahl noch nicht erreicht ist, insbesondere nicht für jedes Brennstoffzellenmodul 5 mindestens ein Zustand ermittelt wurde, werden der erste Schritt S1, der neunte Schritt S9 und der zehnte Schritt S 10 für ein neues Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 erneut durchgeführt.
Vorzugsweise wird für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 iterativ bestimmt.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Das vierte Ausführungsbeispiel des Verfahrens unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel aus 4 dadurch, dass nach dem neunten Schritt S9 in einem zwölften Schritt S12 geprüft wird, ob zu dem ausgewählten Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 aus dem ersten Schritt S1 für jeden vordefinierten Lastpunkt einer Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird das Verfahren in dem elften Schritt S 11 beendet.
Falls nicht für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, werden der neunte Schritt S9 und der zwölfte Schritt S12 erneut durchgeführt.
Vorzugsweise wird - insbesondere mittels des vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens - für die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten jeweils ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 stationär oder quasistationär oder dynamisch bestimmt.
Zusätzlich bilden vorzugsweise die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten einen zeitlichen Lastverlauf. Insbesondere wird dieser zeitliche Lastverlauf vorzugsweise aus mindestens einer Funktion, ausgewählt aus einer Sprungfunktion, einer Rechteckfunktion, einer linearen Funktion, und einer Sinusfunktion, und/oder einer Überlagerung von mindestens zwei solchen Funktionen zusammengesetzt.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Das fünfte Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorzugsweise eine Kombination des dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens aus 4 und des vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens aus 5. Vorzugsweise wird dabei insbesondere iterativ für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1, für jeden vorbestimmten Lastpunkt der Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt.
Insbesondere wird in dem ersten Schritt S1, analog zu vorhergehenden Ausführungsbeispielen, ein Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1 ausgewählt.
In dem neunten Schritt S9 wird vorzugsweise das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1 aus 2, insbesondere die Schritte S2 bis S6, durchgeführt. Alternativ wird in dem neunten Schritt S9 vorzugsweise das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus 3, insbesondere die Schritte S2 bis S7 und/oder die Schritte S2 bis S8, durchgeführt.
In dem zwölften Schritt S12 wird geprüft wird, ob zu dem ausgewählten Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 aus dem ersten Schritt S1 für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls nicht für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, werden der neunte Schritt S9 und der zwölfte Schritt S12 erneut durchgeführt.
Falls für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird in dem zehnten Schritt S 10 geprüft, ob für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird das Verfahren in dem elften Schritt S11 beendet.
Falls die vorbestimmte Anzahl noch nicht erreicht ist, insbesondere nicht für jedes Brennstoffzellenmodul 5 mindestens ein Zustand ermittelt wurde, werden der erste Schritt S1, der neunte Schritt S9, der zwölfte Schritt S12 und der zehnte Schritt S10 für ein neues Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 erneut durchgeführt.
Vorzugsweise wird insbesondere zusätzlich mindestens ein Ausführungsbeispiel, ausgewählt aus den Ausführungsbeispielen des Verfahrens aus 2, 3, 4, 5 und 6, zyklisch, insbesondere nach einer vordefinierten Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems 1, wiederholt.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems (1), das mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5), mindestens eine Stromspeichervorrichtung (7) und eine Systemsteuervorrichtung (3) aufweist, wobei - durch die Systemsteuervorrichtung (3) eine Anlagenleistung erfasst wird, wobei - an dem ersten Brennstoffzellenmodul (5.1) ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt wird, wobei - dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird, wobei - eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul (5.2) der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5) und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung (7) mittels der Systemsteuervorrichtung (3) derart eingestellt werden, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt, wobei - mindestens ein erster Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt wird, wobei - anhand des mindestens einen ermittelten ersten Betriebswerts ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Betriebswert ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Stromstärke-Spannungs-Wertepaar, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck, einer Drehzahl eines Turboladers, einem Regenerationszustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1), einer elektrischen Leitfähigkeit eines Kühlmittels, einem Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1), und einer Wasserstoff-Konzentration in einer Abluft des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten jeweils ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) stationär oder quasistationär oder dynamisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) ermittelt wird, indem der mindestens eine ermittelte erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) a) mit mindestens einem ermittelten zweiten Betriebswert des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenmoduls (5.2) verglichen wird, und/oder b) mit einem digitalen Zwillingsmodel des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) verglichen wird, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) basierend auf dem Vergleich ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das digitale Zwillingsmodel des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) anhand von gemittelten Betriebsdaten berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten einen zeitlichen Lastverlauf bilden, wobei vorzugsweise der zeitliche Lastverlauf aus mindestens einer Funktion, ausgewählt aus einer Sprungfunktion, einer Rechteckfunktion, einer linearen Funktion, und einer Sinusfunktion, und/oder einer Überlagerung von mindestens zwei Funktionen zusammengesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine vorbestimme Anzahl von Brennstoffzellenmodulen (5) der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5) mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls (5) iterativ ermittelt wird.
Systemsteuervorrichtung (3) zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen (5), mindestens einer Stromspeichervorrichtung (7) und einer Systemsteuervorrichtung (3) nach Anspruch 8.