DE102022201762A1 - Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems wird vorgeschlagen, das Brennstoffzellensystem aufweisend mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenpfad, einen Zuluftpfad, einen Abluftpfad, einen Verdichter, einen Kathodenbypass, ein Zuluftabsperrventil zum selektiven Absperren eines Lufteinlasses des mindestens einen Brennstoffzellenstapels und ein Abluftabsperrventil zum selektiven Absperren eines Abluftauslasses des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, das Verfahren aufweisend die Schritte Schließen des Zuluftabsperrventils und des Abluftabsperrventils, sodass sich ein vorbestimmter Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad befindet, zumindest teilweises Öffnen des Kathodenbypass zum Verbinden des Zuluftpfads und des Abluftpfads, Verdichten von Zuluft durch den Verdichter zum Erreichen eines vorbestimmten Systemdrucks in dem Zuluftpfad und dem Abluftpfad, wobei der vorbestimmte Systemdruck den vorbestimmten Kathodenpfaddruck übersteigt, Öffnen des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils, sodass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft in mindestens eine Randzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels an dem jeweils geöffneten Zuluftabsperrventil oder Abluftabsperrventil nachströmt, Erfassen und Auswerten mindestens eines elektrischen Parameters an der mindestens einen Randzelle durch eine Steuereinheit zum Evaluieren eines Zustands der betreffenden mindestens einen Randzelle, und nach Evaluieren des Zustands Versetzen des Brennstoffzellensystems in einen anderen Betriebsmodus.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Bei Fahrzeugen, bei denen unter anderem Antriebsenergie auch durch Brennstoffzellen geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Zusätzlich zu den Mediensystemen für die Reaktanten wird ein Kühlsystem mit Kühlmittel zur Abfuhr von Abwärme benötigt, sodass ein Brennstoffzellenstapel von drei Mediensystemen bedient wird.
  • Ein Brennstoffzellenstapel setzt sich dabei aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen zusammen. Durch die Stapelung der Einzelzellen in einer ersten Richtung und einer Durchströmung der Einzelzellen in einer zu der ersten Richtung senkrechten Ebene, d.h. entlang einer zweiten und dritten Richtung, ergibt sich eine räumliche Verteilung der thermodynamischen und elektrischen Zustandsgrößen. Hierdurch ergeben sich große Herausforderungen insbesondere für eine Alterung/Degradation, Funktion, Auslegung, Kosten, Performance und Zuverlässigkeit beim Betrieb in einem großen Betriebsbereich. Vor allem können Randzellen bzw. Randbereiche des Brennstoffzellenstapels im Bereich eines Eintritts und Austritts kritisch sein.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels vorzuschlagen, um Betriebsstrategien zur Gewährleistung einer zufriedenstellenden Funktion der Randzellen anpassen zu können.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
  • Es wird ein Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, das Brennstoffzellensystem aufweisend mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenpfad, einen Zuluftpfad, einen Abluftpfad, einen Verdichter, einen Kathodenbypass, ein Zuluftabsperrventil zum selektiven Absperren eines Lufteinlasses des mindestens einen Brennstoffzellenstapels und ein Abluftabsperrventil zum selektiven Absperren eines Abluftauslasses des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, das Verfahren aufweisend die Schritte Schließen des Zuluftabsperrventils und des Abluftabsperrventils, sodass sich ein vorbestimmter Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad befindet, zumindest teilweises Öffnen des Kathodenbypass zum Verbinden des Zuluftpfads und des Abluftpfads, Verdichten von Zuluft durch den Verdichter zum Erreichen eines vorbestimmten Systemdrucks in dem Zuluftpfad und dem Abluftpfad, wobei der vorbestimmte Systemdruck den vorbestimmten Kathodenpfaddruck übersteigt, Öffnen des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils, sodass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft in mindestens eine Randzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels an dem jeweils geöffneten Zuluftabsperrventil oder Abluftabsperrventil nachströmt, Erfassen und Auswerten mindestens eines elektrischen Parameters an der mindestens einen Randzelle durch eine Steuereinheit zum Evaluieren eines Zustands der betreffenden mindestens einen Randzelle, und nach Evaluieren des Zustands Versetzen des Brennstoffzellensystems in einen anderen Betriebsmodus.
  • Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kann insbesondere Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran aufweisen. Er umfasst dabei mehrere Brennstoffzellen, die in einer gestapelten Anordnung vorliegen und dabei insbesondere eine elektrische Reihen- und/oder Parallelschaltung zum Erhöhen der abgegebenen Spannung und/oder des angegebenen Stroms aufweisen. Die Brennstoffzellen werden dabei bevorzugt durch Bipolarplatten voneinander abgegrenzt, die die Edukte bzw. Reaktanten großflächig verteilen, Produktwasser aufnehmen und abführen, eine aktive Kühlung realisieren und den Stromfluss erlauben. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel weist einen Anodenpfad und einen Kathodenpfad auf, wobei der Zulufteingang mit Luft versorgt wird und Abluft an dem Abluftausgang abgegeben wird. Dem Anodenpfad wird Wasserstoff zugeführt. Hierfür sind entsprechende Leitungen, Ventile und anderes vorgesehen, die ein vom Betriebspunkt des betreffenden Brennstoffzellenstapels abhängiges Druckniveau einstellen und halten. Eine solche Anordnung wird auch „Balance of Plant“ genannt. Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch unwesentlich.
  • Der Verdichter kann einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein, je nach Auslegung des Brennstoffzellenstapels und der jeweils geforderten Maximalleistung. Es ist besonders sinnvoll, einen elektrisch betreibbaren Verdichter zu verwenden, der etwa durch einen Inverter mit einer angepassten elektrischen Spannung versorgt wird und durch die Steuereinheit oder eine andere Einrichtung einfach ansteuerbar ist. Der jeweilige Verdichter könnte mit einem einzelnen Verdichterlaufrad oder zwei Verdichterlaufrädern gekoppelt sein, wobei letztere pneumatisch parallel oder in Reihe zueinander geschaltet sein können. Der Verdichter dient dazu, frische Luft aus der Umgebung auf ein gewünschtes Druckniveau zu verdichten und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel zuzuführen.
  • Durch den Kathodenbypass kann wahlweise Luft aus dem Zuluftpfad direkt in den Abluftpfad strömen. Er könnte folglich ein Bypassventil umfassen, das von der Steuereinheit ansteuerbar ist, um geöffnet oder geschlossen zu werden. Es könnte vollständig und/oder teilweise geöffnet werden. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems kann durch entsprechendes Ansteuern des Bypassventils zusammen mit den weiteren Aktoren, beispielsweise Verdichter und Ventile, ein bestimmtes Druckverhältnis und ein bestimmten Massenstrom an dem betreffenden Brennstoffzellenstapel eingestellt werden.
  • Durch Schließen des Zuluftabsperrventils, das sich stromabwärts des Kathodenbypass befindet, und des Abluftabsperrventils, das sich stromaufwärts des Kathodenbypass befindet, wird ein geschlossenes Volumen über den Kathodenpfad erzeugt. Der Druck innerhalb dieses Volumens, der hier Kathodenpfaddruck genannt wird, entspricht bis zum Öffnen der beiden Ventile näherungsweise dem Druck vor dem Schließen der beiden Ventile, wenn der Zeitraum zwischen Schließen und Öffnen kurz ist. Der Kathodenpfad ist folglich durch Schließen der beiden Ventile von dem Rest des Brennstoffzellenstapels abgeschirmt.
  • Durch das Betreiben des Verdichters wird der Druck stromabwärts des Verdichters in dem Zuluftpfad erhöht. Durch den Verdichter geförderte Luft gerät über den geöffneten Kathodenbypass in den Abluftpfad. Dort kann ein Abluftventil angeordnet sein, das durch die Steuereinheit ansteuerbar sein kann und zum Abführen von Abluft in die Umgebung einen beeinflussbaren Öffnungsquerschnitt aufweist. Durch entsprechendes Einstellen des Öffnungsquerschnitts ergibt sich in Kombination mit der Verdichtungsleistung der Systemdruck in dem Zuluftpfad und dem Abluftpfad, der größer ist als der Kathodenpfaddruck.
  • Das in diesem bevorzugt stationären Zustand erfolgende Öffnen des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils führt dazu, dass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft nachströmt. Bereits in dem Brennstoffzellenstapel befindliche Luft bzw. Inertgas wird in Richtung des jeweils geschlossenen Ventils gedrängt, während auf der dem geöffneten Ventil zugewandten Seite frische Zuluft einströmt. Es wird durch Auswahl eines der beiden Ventile folglich die Strömungsrichtung der nachströmenden Zuluft gewählt und folglich die Seite des betreffenden Brennstoffzellenstapels mit den zu untersuchenden Randzellen. Eines der beiden Ventile ist dabei geschlossen zu halten, damit lediglich ein begrenztes Zuluftvolumen nachströmen kann.
  • Wird dem Brennstoffzellenstapel während dieses Vorgangs zumindest temporär elektrische Leistung entzogen, ist die Luft in dem Kathodenpfad vor dem Öffnen des betreffenden Ventils, d.h. des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils, inert oder weitgehend inert. Die in Randzellen nachströmende Zuluft hingegen weist den zu erwartenden Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft auf. Durch Erfassen und Auswerten mindestens eines elektrischen Parameters, beispielsweise von Spannungen dieser Randzellen, kann folglich eine Analyse der Randzellen weitgehend unabhängig von den übrigen Brennstoffzellen des betreffenden Brennstoffzellenstapels vorgenommen werden. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf der Spannung der betreffenden Randzellen eine Auswertung von Alterungs- oder Degradationserscheinungen ermöglichen.
  • Neben Spannungen der Randzellen kann auch die Gesamtspannung des betreffenden Brennstoffzellenstapels und/oder der Impedanz gemessen werden. Beispielsweise kann eine Impedanzspektroskopie durchgeführt werden. Zusätzlich ist denkbar, Drücke und Temperaturen zu erfassen und bei der Auswertung mit einzubeziehen.
  • Zum Einstellen des Systemdrucks kann der Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad und der Systemdruck gemessen oder durch Simulation ermittelt werden, um gezielt ein gewünschtes Druckgefälle einstellen zu können, um die vorangehend dargestellte Wirkung zu erreichen. Nach der Erfassung und Auswertung kann der Brennstoffzellenstapel in einen anderen Betriebsmodus versetzt werden. Dies kann etwa ein herkömmlicher Betrieb sein.
  • Das Öffnen des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils könnte das Öffnen des Zuluftabsperrventils umfassen, sodass die frische Zuluft in mindestens eine erste Randzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels strömt, die zu dem Zuluftabsperrventil gewandt ist. Dies kann als eine erste Strömungsrichtung bezeichnet werden, mit der frische Zuluft in den Brennstoffzellenstapel nachströmt.
  • Das Öffnen des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils könnte indes auch das Öffnen des Abluftabsperrventils umfassen, sodass die frische Zuluft in mindestens eine zweite Randzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels strömt, die zu dem Abluftabsperrventil gewandt ist. Dies kann als eine zweite Strömungsrichtung bezeichnet werden, mit der frische Zuluft in den Brennstoffzellenstapel nachströmt.
  • Es ist verständlich, dass die beiden Strömungsrichtungen nacheinander ausgewählt werden können, um nacheinander die mindestens eine erste Randzelle und die mindestens eine zweite Randzelle zu untersuchen. Zwischen diesen beiden Vorgängen könnte auch ein herkömmlicher Betrieb des Brennstoffzellensystems vorliegen. Diese beiden Vorgänge können folglich zeitlich aufeinanderfolgen oder getrennt sein.
  • Es könnte vorgesehen sein, dass in dem Verfahren ferner das betreffende Zuluftabsperrventil oder Abluftabsperrventils geschlossen wird, nachdem sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht hat. Damit kann das Gasvolumen zwischen den beiden Ventilen abgeschlossen werden. Vorteil ist, dass für die Analyse ein definiert abgeschlossenes Volumen mit definiertem Druck vorliegt. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, für jeden denkbaren Analysevorgang beide Ventile nach dem Nachströmvorgang geschlossen zu halten. Das vormals geöffnete Ventil könnten offengelassen werden und im Falle einer in dem Brennstoffzellenstapel stattfindenden Reaktion könnte Zuluft nachgeliefert werden.
  • Es könnte vorteilhaft sein, das Verfahren ausschließlich bei Vorliegen einer Mindestumgebungstemperatur oder einer Mindestzulufttemperatur, und/oder eines zumindest weitgehend inerten Zustands in dem Kathodenpfad, und/oder bei über einem Mindestzeitraum ausbleibender Leistungsanforderung auszuführen. Für die Durchführung des Verfahrens können vorteilhafterweise verschiedene Freigabebedingungen vorgesehen sein. Es wird etwa nur dann ausgeführt, wenn eine bestimmte Temperaturschwelle insbesondere von der Zuluft überschritten ist und keine Gefahr des Einfrierens vorliegt, d.h. kein Gefrierstart vorliegt. Ein definierter Zustand des abgeschlossenen Kathodenpfadvolumens könnte weiterhin als Voraussetzung abgefragt werden, etwa ein Inertisierungszustand nach einem definierten Bleed-Down und nur kurzer Abstellzeit bzw. Standby-Zeit. Alternativ könnte dieser definierte Zustand auch gezielt vor der Ausführung des Verfahrens hergestellt werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine Start-Stopp-Phase oder eine Standby-Phase vorliegt, etwa bei einer Bergabfahrt, wenn das Bordnetz nur durch eine mit dem Brennstoffzellensystem verbundene Speicherbatterie versorgt wird und das Brennstoffzellensystem keine elektrische Leistung liefern muss.
  • Es ist denkbar, den mindestens einen Brennstoffzellenstapel vor der Ausführung des Verfahrens zu inertisieren. Damit kann der Zustand des betreffenden Brennstoffzellenstapels derart beeinflusst werden, dass gezielt Randzellen durch nachströmende Zuluft Sauerstoff aufweisen.
  • Das Auswerten des mindestens einen elektrischen Parameters könnte das Auswerten eines zeitlichen Verlaufs von einzelnen Zellspannungen der betreffenden mindestens einen Randzelle umfassen, wobei das Auswerten ferner das Vergleichen mit einem für den betreffenden Brennstoffzellenstapel bekannten oder erwarteten Verlauf von Zellspannungen umfassen könnte. Insbesondere könnten Trajektorien von Zellspannungen während des Nachströmens von Zuluft betrachtet werden. Durch fortgesetzte Beobachtung und Auswertung mittels der vorgeschlagenen Diagnosen können Veränderungen über die Betriebszeit und Abhängigkeiten vom Lastprofil ermittelt werden. Dadurch können Verbesserungen in Betriebsstrategie für das vorhandene Brennstoffzellensystem erfolgen, wie auch via Cloud/Server auch für Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugflotten.
  • Das Erfassen des mindestens einen elektrischen Parameters könnte bei einem vorbestimmten Strom und/oder einem vorbestimmten zeitlichen Stromverlauf über dem betreffenden Brennstoffzellenstapel erfolgen. Zusätzlich dazu kann die Gesamtspannung und/oder die Zellspannungen auch als offene Zellspannung (OCV) ermittelt werden. Es kann allerdings sinnvoll sein, bei bestimmten Strömen bzw. Stromdichten, Stromverläufen und dergleichen die Zellspannungen zu erfassen, sodass die Einschätzung des Zustands der betreffenden Randzellen verbessert und durch mehrere unterschiedliche Messungen gestützt wird.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, aufweisend mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenpfad, einen Zuluftpfad, einen Abluftpfad, einen Verdichter, einen Kathodenbypass, ein Zuluftabsperrventil zum selektiven Absperren eines Lufteinlasses des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, ein Abluftabsperrventil zum selektiven Absperren eines Abluftauslasses des mindestens einen Brennstoffzellenstapels, und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, zum: Schließen des Zuluftabsperrventils und des Abluftabsperrventils, sodass sich ein vorbestimmter Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad befindet, zumindest teilweises Öffnen des Kathodenbypass zum Verbinden des Zuluftpfads und des Abluftpfads, Verdichten von Zuluft durch den Verdichter zum Erreichen eines vorbestimmten Systemdrucks in dem Zuluftpfad und dem Abluftpfad, wobei der vorbestimmte Systemdruck den vorbestimmten Kathodenpfaddruck übersteigt, Öffnen des Zuluftabsperrventils oder des Abluftabsperrventils, sodass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft in mindestens eine Randzelle des mindestens einen Brennstoffzellenstapels an dem jeweils geöffneten Zuluftabsperrventil oder Abluftabsperrventil nachströmt, Erfassen und Auswerten mindestens eines elektrischen Parameters an der mindestens einen Randzelle durch eine Steuereinheit zum Evaluieren eines Zustands der betreffenden mindestens einen Randzelle, und nach Evaluieren des Zustands Versetzen des Brennstoffzellensystems in einen anderen Betriebsmodus.
  • Das Auswerten des mindestens einen elektrischen Parameters könnte das Auswerten eines zeitlichen Verlaufs von einzelnen Zellspannungen der betreffenden mindestens einen Randzelle umfassen, wobei das Auswerten ferner das Vergleichen mit einem für den betreffenden Brennstoffzellenstapel bekannten oder erwarteten Verlauf von Zellspannungen umfassen könnte.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
  • Ausführungsbeispiele
  • Es zeigt:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem mit ersten Randzellen, in die frische Zuluft nachströmt.
    • 2 das Brennstoffzellensystem mit zweiten Randzellen, in die frische Zuluft nachströmt.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 in einer schematischen, blockbasierten Dar-stellung. Hier ist ein Brennstoffzellenstapel 4 vorgesehen, der einen Zulufteinlass 6 und einen Abluftauslass 8 aufweist, zwischen denen sich ein Kathodenpfad befindet. Stromaufwärts des Zulufteinlasses 6 ist ein Zuluftabsperrventil 10 angeordnet, stromabwärts des Abluftauslasses 8 befindet sich ein Abluftabsperrventil 12. Der Brennstoffzellenstapel 4 kann durch einen Kathodenbypass 14, der ein Kathodenbypassventil 16 aufweist, überbrückt werden. Parallel zu dem Kathodenbypass 14 ist exemplarisch ein Wärmeübertrager 17 angeordnet, der Wärme aus dem Zuluftpfad 22 in den Abluftpfad 26 übertragen kann. Zwischen dem Kathodenbypass 14 und dem Zuluftabsperrventil 10 ist beispielhaft ein Zwischenkühler 18 angeordnet. Ein Verdichter 20 ist vorgesehen, um Zuluft verdichtet in einen Zuluftpfad 22 zu fördern. Der Verdichter 20 ist mit einer Turbine 24 verbunden, die in einem Abluftpfad 26 angeordnet ist und von ausströmender Abluft durchströmt wird. Auf einer Welle 28 zwischen dem Verdichter 20 und der Turbine 24 ist ein Elektromotor 30 angeordnet, der über einen Inverter 32 mit Spannung versorgt wird. Stromabwärts der Turbine 24 ist ein Abluftventil 34 angeordnet, das durch Beeinflussung eines Strömungsquerschnitts zur Druck- und Massenstromregelung beiträgt. Die Abluft fließt in die Umgebung 36 ab.
  • Alternativ dazu kann auch ein Turbinenbypassventil in einem Turbinenbypass angeordnet sein. Zwischen der Umgebung 36 und dem Verdichter 20 ist weiterhin ein Luftfilter 38 angeordnet. Eine Steuereinheit 40 ist vorgesehen, die mit den Ventilen 20, 12, 16 und 34 sowie gegebenenfalls mit dem Inverter 32 gekoppelt ist.
  • Die Steuereinheit 40 ist dazu ausgebildet, zunächst das Zuluftabsperrventil 10 und das Abluftabsperrventil 12 zu schließen, sodass sich ein vorbestimmter Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad befindet. Zumindest teilweise wird dann der Kathodenbypass 14 zum Verbinden des Zuluftpfads 22 und des Abluftpfads 26 geöffnet. Zuluft wird durch den Verdichter 20 zum Erreichen eines vorbestimmten Systemdrucks in dem Zuluftpfad 22 und dem Abluftpfad 26 verdichtet, wobei der vorbestimmte Systemdruck den vorbestimmten Kathodenpfaddruck übersteigt. Um dies zu erreichen kann die Steuereinheit 40 das Abluftventil 34 so ansteuern, dass sich der Systemdruck einstellt. Dann kann die Steuereinheit 40 in diesem in 1 gezeigten Beispiel das Zuluftabsperrventil 10 öffnen und das Abluftabsperrventil 12 geschlossen lassen, sodass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft in mindestens eine erste Randzelle 42 des Brennstoffzellenstapels 4 an dem geöffneten Ventil 10 nachströmt. Dabei oder anschließend kann mindestens ein elektrischer Parameter, beispielsweise eine Zellspannung, eine Stapelspannung und/oder eine Impedanz erfasst und ausgewertet werden. Es ist eine Erfassung des oder der gewünschten Parameter über die Zeit möglich.
  • In 2 ist der umgekehrte Zustand gezeigt, in dem das Abluftabsperrventil 12 geöffnet wird und das Zuluftabsperrventil 10 geschlossen bleibt. Dann strömt Zuluft in mindestens eine zweite Randzelle 44 nach, die dem Abluftabsperrventil 12 zugewandt ist.
  • Eine Auswertung kann das Ermitteln von Gradienten der Einzelzellspannungen und/oder der Impedanz sowie deren Streuung oder Streubreite umfassen. Hieraus kann ein Zustand der betreffenden Randzellen 42 bzw. 44 ermittelt werden. Dabei könnten auch Vergleiche von Randzellen 42 bzw. 44 mit Zellen aus dem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels 4 vorgenommen werden. Gealterte bzw. degradierte Randzellen weisen eine schlechtere elektrochemische Umsetzung auf, d.h. entsprechende Gradienten bzw. eine Spannungs-Strom-Performance ändert sich entsprechend.
  • An eine Ermittlung des Zustands könnten sich weiterführende Aktionen anschließen, die etwa eine Aufzeichnung der Alterung bzw. Degradation mittel und langfristig umfasst, Werte aus der Auswertung über die Lebenszeit bzw. auch über dem Lastprofil des Brennstoffzellenstapels 4 könnten aufgezeichnet werden. Daraus könnten etwa Anpassungen einer Betriebsstrategie folgen und/oder Regenerationsfunktionen initiiert werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Analysieren des Zustands einer oder mehrerer Randzellen (42, 44) eines Brennstoffzellenstapels (4) eines Brennstoffzellensystems (2), das Brennstoffzellensystem (2) aufweisend mindestens einen Brennstoffzellenstapel (4) mit einem Kathodenpfad, einen Zuluftpfad (22), einen Abluftpfad (26), einen Verdichter (20), einen Kathodenbypass (14), ein Zuluftabsperrventil (10) zum selektiven Absperren eines Lufteinlasses (6) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4) und ein Abluftabsperrventil (12) zum selektiven Absperren eines Abluftauslasses (8) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4), das Verfahren aufweisend die Schritte: Schließen des Zuluftabsperrventils (10) und des Abluftabsperrventils (12), sodass sich ein vorbestimmter Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad befindet, zumindest teilweises Öffnen des Kathodenbypass (14) zum Verbinden des Zuluftpfads (22) und des Abluftpfads (26), Verdichten von Zuluft durch den Verdichter (20) zum Erreichen eines vorbestimmten Systemdrucks in dem Zuluftpfad (22) und dem Abluftpfad (26), wobei der vorbestimmte Systemdruck den vorbestimmten Kathodenpfaddruck übersteigt, Öffnen des Zuluftabsperrventils (10) oder des Abluftabsperrventils (12), sodass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft in mindestens eine Randzelle (42, 44) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4) an dem jeweils geöffneten Zuluftabsperrventil (10) oder Abluftabsperrventil (12) nachströmt, Erfassen und Auswerten mindestens eines elektrischen Parameters an der mindestens einen Randzelle (42, 44) durch eine Steuereinheit (40) zum Evaluieren eines Zustands der betreffenden mindestens einen Randzelle (42, 44), und nach Evaluieren des Zustands Versetzen des Brennstoffzellensystems (2) in einen anderen Betriebsmodus.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Öffnen des Zuluftabsperrventils (10) oder des Abluftabsperrventils (12) das Öffnen des Zuluftabsperrventils (10) umfasst, sodass die frische Zuluft in mindestens eine erste Randzelle (42) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4) strömt, die zu dem Zuluftabsperrventil (10) gewandt ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Öffnen des Zuluftabsperrventils (10) oder des Abluftabsperrventils (12) das Öffnen des Abluftabsperrventils (12) umfasst, sodass die frische Zuluft in mindestens eine zweite Randzelle (44) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4) strömt, die zu dem Abluftabsperrventil (12) gewandt ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend Schließen des betreffenden Zuluftabsperrventils (10) oder Abluftabsperrventils (12), nachdem sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht hat.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ausschließlich bei Vorliegen einer Mindestumgebungstemperatur oder einer Mindestzulufttemperatur, und/oder eines zumindest weitgehend inerten Zustands in dem Kathodenpfad, und/oder bei über einem Mindestzeitraum ausbleibender Leistungsanforderung ausgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Brennstoffzellenstapel (4) vor der Ausführung des Verfahrens inertisiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Auswerten des mindestens einen elektrischen Parameters das Auswerten eines zeitlichen Verlaufs von einzelnen Zellspannungen der betreffenden mindestens einen Randzelle (42, 44) umfasst, und wobei das Auswerten ferner das Vergleichen mit einem für den betreffenden Brennstoffzellenstapel (4) bekannten oder erwarteten Verlauf von Zellspannungen umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erfassen des mindestens einen elektrischen Parameters bei einem vorbestimmten Strom und/oder einem vorbestimmten zeitlichen Stromverlauf über dem betreffenden Brennstoffzellenstapel (4) erfolgt.
  9. Brennstoffzellensystem (2), aufweisend: mindestens einen Brennstoffzellenstapel (4) mit einem Kathodenpfad, einen Zuluftpfad (22), einen Abluftpfad (26), einen Verdichter (20), einen Kathodenbypass (14), ein Zuluftabsperrventil (10) zum selektiven Absperren eines Lufteinlasses (6) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4), ein Abluftabsperrventil (12) zum selektiven Absperren eines Abluftauslasses (8) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4), und eine Steuereinheit (40), wobei die Steuereinheit (40) ausgebildet ist, zum: Schließen des Zuluftabsperrventils (10) und des Abluftabsperrventils (12), sodass sich ein vorbestimmter Kathodenpfaddruck in dem geschlossenen Kathodenpfad befindet, zumindest teilweises Öffnen des Kathodenbypass (14) zum Verbinden des Zuluftpfads (22) und des Abluftpfads (26), Verdichten von Zuluft durch den Verdichter (20) zum Erreichen eines vorbestimmten Systemdrucks in dem Zuluftpfad (22) und dem Abluftpfad (26), wobei der vorbestimmte Systemdruck den vorbestimmten Kathodenpfaddruck übersteigt, Öffnen des Zuluftabsperrventils (10) oder des Abluftabsperrventils (12), sodass sich der Druck in dem Kathodenpfad auf den vorbestimmten Systemdruck erhöht, indem frische Zuluft in mindestens eine Randzelle (42, 44) des mindestens einen Brennstoffzellenstapels (4) an dem jeweils geöffneten Zuluftabsperrventil (10) oder Abluftabsperrventil (12) nachströmt, Erfassen und Auswerten mindestens eines elektrischen Parameters an der mindestens einen Randzelle (42, 44) durch eine Steuereinheit (40) zum Evaluieren eines Zustands der betreffenden mindestens einen Randzelle (42, 44), und nach Evaluieren des Zustands Versetzen des Brennstoffzellensystems (2) in einen anderen Betriebsmodus.
  10. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 9, wobei das Auswerten des mindestens einen elektrischen Parameters das Auswerten eines zeitlichen Verlaufs von einzelnen Zellspannungen der betreffenden mindestens einen Randzelle (42, 44) umfasst, und wobei das Auswerten ferner das Vergleichen mit einem für den betreffenden Brennstoffzellenstapel (4) bekannten oder erwarteten Verlauf von Zellspannungen umfasst.
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DE102016217315A1 (de) 2016-09-12 2018-03-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Regeln und/oder zum Steuern eines Brennstoffzellensystems
WO2021219746A1 (en) 2020-04-30 2021-11-04 Robert Bosch Gmbh Method for determining state of fuel cell, corresponding evaluation unit, fuel cell system and vehicle

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