DE102022213856A1

DE102022213856A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Zustandes zumindest einer Komponente eines Brennstoffzellenstapels eines Fahrzeuges sowie ein System aus einem Fahrzeug und einem Prüfstand oder einer Werkstatt

Info

Publication number: DE102022213856A1
Application number: DE102022213856.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fuhrich; Christophe Gerling
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2024-06-20
Also published as: WO2024132591A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Zustandes zumindest einer Komponente eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeuges sowie ein System aus einem Fahrzeug und einem Prüfstand bzw. einer Werkstatt.

Description

Stand der Technik
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, welche z.B. Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme wandeln.
Die Alterung unterschiedlicher Komponenten der Brennstoffzellen führen im Betrieb zu einer fallenden Brennstoffzellen-Performance über der Zeit, sodass eine Überwachung sinnvoll ist.
Der Gesundheitszustand von Brennstoffzellen in einem Fahrzeug kann im normalen Fahrbetrieb nur sehr grob bestimmt werden und kann nicht bzw. nur sehr schwer auf bestimmte Komponenten zurückgeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein System gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Zustandes zumindest einer Komponente eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeuges. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein messtechnisches Verbinden des Brennstoffzellenstapels wenigstens mit zumindest einem externen Messgerät. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Hochfahren, insbesondere ein automatisiertes Hochfahren, zumindest des Brennstoffzellenstapels, insbesondere des Brennstoffzellensystems, in einen definierten Betriebszustand, vorzugsweise bei hoher (elektrischerer) Last. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Durchführen, insbesondere ein automatisiertes Durchführen, zumindest eines Recovery-Verfahrens zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels in einen Referenz-Zustand. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Durchführen, insbesondere automatisiertes Durchführen, zumindest eines Charakterisierungsverfahrens zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Erfassen, insbesondere ein automatisiertes Erfassen, eines Messsignals während dem Durchführen des zumindest einen Charakterisierungsverfahrens mittels dem externen Messgerät, insbesondere als Reaktion auf das zumindest eine Charakterisierungsverfahren. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems mit Hilfe des erfassten Messsignals, insbesondere basierend auf dem erfassten Messsignal bzw. aus dem erfassten Messsignal gewonnenen (Mess)daten.
Die zuvor und die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
Insbesondere ist das Fahrzeug ein Kraftfahrzeug, bspw. ein Brennstoffzellenfahrzeug. Das Brennstoffzellenfahrzeug kann bspw. ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Kraftrad oder ein Off-Road-Fahrzeug sein.
Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein jeweiliger Zustand einer Mehrzahl oder einer Vielzahl an Komponenten des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems des Fahrzeuges ermittelt werden.
Das messtechnische Verbinden des Brennstoffzellenstapels wenigstens mit dem zumindest einem externen Messgerät kann mittels Messleitungen und/oder drahtlos erfolgen. Bspw. können die Messleitungen an Lastklemmen des Fahrzeuges angeschlossen werden. Mit dem Ausdruck, dass das Messgerät ein „externes“ Messgerät ist, soll ausgedrückt werden, dass das zumindest eine externe Messgerät kein Teil des Fahrzeuges ist. Ferner kann das externe Messgerät ein mobiles, externes Messgerät sein. Somit kann es besonders einfach passend positioniert werden. Bspw. kann das externe Messgerät ein elektrochemisches Impedanzmessgerät aufweisen bzw. sein. Mit dem externen Messgerät können umfangreiche Messungen durchgeführt werden, welche in einem Normalbetrieb des Fahrzeuges, bspw. während einer Fahrt des Fahrzeuges, durch das Fahrzeug selber nicht durchgeführt werden können. Es ist jedoch ferner denkbar, dass zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems neben dem (durch das externe Messgerät) erfassten Messsignals ferner auch (zusätzlich) zumindest ein Messsignal wenigstens eines (fest installierten) Fahrzeugmessgerätes hinzugezogen wird. Somit kann der Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft ermittelt werden.
Das externe Messgerät kann ferner einerseits zumindest zum Erfassen des Messsignals, aber auch dazu ausgebildet sein, das Fahrzeug bzw. das Brennstoffzellensystem derart anzusteuern, dass der Brennstoffzellenstapel in den definierten Betriebszustand hochgefahren wird und/oder dass das zumindest einen Recovery-Verfahren zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels in einen Referenz-Zustand durchgeführt wird und/oder dass das zumindest eine Charakterisierungsverfahren zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird. Hierfür kann das externe Messgerät steuerungstechnisch, bspw. mittels Steuerleitungen, mit dem Fahrzeug bzw. dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel verbunden sein. Ferner kann das externe Messgerät datenkommunikationstechnisch mit dem Fahrzeug bzw. dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel verbunden sein, um einen Datenaustausch zu ermöglichen. Ferner kann das externe Messgerät energietechnisch, bspw. mittels Energieleitungen, mit dem Fahrzeug bzw. dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel verbunden sein, um das Fahrzeug bzw. das Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie zu versorgen.
Unter dem Ausdruck „das externe Messgerät“ kann insbesondere „das zumindest eine externe Messgerät“ verstanden werden.
Insbesondere kann ferner das Fahrzeug in einen Diagnosemodus, bspw. durch das externe Messgerät, mittels eines Diagnosesignals überführt werden für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Insbesondere kann das externe Messgerät ein elektrochemisches Impedanzmessgerät, insbesondere ein Potentiostat und/oder ein Galvanostat, aufweisen bzw. sein.
Insbesondere wird zumindest der Brennstoffzellenstapel derart hochgefahren, dass der Brennstoffzellenstapel in dem definierten Zustand eine bestimmte Temperatur, bspw. eine bestimmte Kühlmitteltemperatur, und/oder Feuchtigkeit usw. aufweist.
Durch das zumindest eine Recovery-Verfahren können in dem hochgefahrenen Brennstoffzellenstapel zumindest reversible Verlustmechanismen entfernt werden, um den Referenz-Zustand zu erreichen. Mit anderen Worten, kann eine „Säuberung“ des Brennstoffzellenstapels bzw. der Komponenten des Brennstoffzellenstapels von reversiblen Verlustmechanismen erfolgen, sodass das Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels mittels des zumindest einen Charakterisierungsverfahrens immer in einem gleichen oder einen im Wesentlichen gleichen Zustand zumindest des Brennstoffzellenstapels erfolgen kann. Somit kann das Ermitteln des zumindest einen Zustandes der Komponente besonders vorteilhaft erfolgen.
Insbesondere kann das Messsignal während dem Durchführen bzw. während der Durchführung des zumindest einen Charakterisierungsverfahrens mittels dem externen Messgerät über zumindest eine Messleitung erfasst werden. Es ist zusätzlich oder alternativ auch denkbar, dass das Messsignal drahtlos an das externe Messgerät übertragen wird. Ferner kann das externe Messgerät eine Ermittlungseinheit mit einer Recheneinheit zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zumindest mit Hilfe des erfassten Messsignals aufweisen, bspw. indem das erfasste Messsignal oder daraus gewonnene Daten mit einem Referenzsignal verglichen wird bzw. mit Referenzdaten verglichen werden. Der ermittelte Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapel kann an das Fahrzeug übertragen werden und in dem Fahrzeug abgespeichert werden, sodass ein Verlauf des zumindest einen Zustandes, bspw. eines Gesundheitszustandes, der zumindest einen Komponente des Fahrzeuges ermittelbar ist.
Als die zumindest eine Komponente für die der Zustand, bspw. ein Gesundheitszustand, ermittelt wird, ist bspw. eine (einzelne) Brennstoffzelle bzw. die Einzelkomponenten, bspw. eine Membran oder eine Elektrode, der (einzelnen) Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels oder der Brennstoffzellenstapel als Gesamtes zu verstehen.
Dadurch, dass durch das externe Messgerät umfangreiche Messungen durchgeführt werden können, welche in einem Normalbetrieb des Fahrzeuges, bspw. während einer Fahrt des Fahrzeuges, durch das Fahrzeug selber nicht durchgeführt werden können, kann der Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft ermittelt werden. Damit können Degradationswerte und/oder ein Gesundheitszustand und/oder eine Restlebensdauer der zumindest einen Komponente besonders vorteilhaft ermittelt werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere unterschiedliche Recovery-Verfahren zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels in den Referenz-Zustand (zeitlich) nacheinander durchgeführt werden. Somit kann der Brennstoffzellenstapel besonders vorteilhaft „gesäubert“ werden und ein später durchgeführtes Charakterisierungsverfahren besonders vorteilhafte Messungen ermöglichen. Insbesondere kann das externe Messgerät dazu ausgebildet sein, das Fahrzeug bzw. das Brennstoffzellensystem derart anzusteuern, dass unterschiedliche bzw. mehrere Recovery-Verfahren nacheinander durchgeführt werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere unterschiedliche Charakterisierungsverfahren zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels (zeitlich) nacheinander durchgeführt werden. Somit kann der zumindest eine Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels besonders genau ermittelt werden und/oder verifiziert werden und/oder kann somit ein jeweiliger Zustand von Einzelkomponenten der zumindest einen Komponente, bspw. einer Brennstoffzelle, des Brennstoffzellensystem ermittelt werden. Bspw. kann ein Zustand einer Membran als Einzelkomponente der Brennstoffzelle ermittelt werden und/oder kann ein Zustand einer Elektrode als Einzelkomponente der Brennstoffzelle ermittelt werden. Insbesondere kann das externe Messgerät dazu ausgebildet sein, das Fahrzeug bzw. das Brennstoffzellensystem derart anzusteuern, dass unterschiedliche bzw. mehrere Charakterisierungsverfahren nacheinander durchgeführt werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Brennstoffzellensystem des Fahrzeuges wenigstens mit einer externen Versorgungsvorrichtung zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit einem Fluid, insbesondere Stickstoff, fluidtechnisch verbunden wird. Somit können bspw. auch Charakterisierungsverfahren durchgeführt werden, für welche zusätzliche Fluide, bspw. Stickstoff, notwendig sind. Es ist ferner denkbar, dass das Fahrzeug mit mehreren externen Versorgungsvorrichtungen zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit einem jeweiligen Fluid, bspw. Stickstoff und/oder Luft bzw. Sauerstoff und/oder einem Brennstoff wie Wasserstoff, fluidtechnisch verbunden wird. Somit kann bspw. darauf verzichtet werden, auf den im Fahrzeug mitgeführten Wasserstoff zugreifen zu müssen. Das Fahrzeug bzw. das Brennstoffzellensystem kann hierzu Anschlüsse zum Anschließen einer jeweiligen Versorgungseinrichtung aufweisen.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Recovery-Verfahren zum Überführen des zumindest einen hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels in den Referenz-Zustand zumindest eines der folgenden Verfahren ist:

- ein Trocknungsverfahren zum Trocknen zumindest einer Gasdiffusionslage des Brennstoffzellenstapels, und/oder
- ein Befeuchtungsverfahren zum Befeuchten zumindest eines lonomers des Brennstoffzellenstapels durch eine Current-On-Off Prozedur, und/oder
- ein Kathoden-Recovery-Verfahren, insbesondere ein Platinoxid-Reduktionsverfahren zum Wiederherstellen eines Katalysators des Brennstoffzellenstapels, und/oder
- ein Anoden-Recovery-Verfahren, insbesondere ein Kohlenmonooxid-Reduktionsverfahren zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus dem Brennstoffzellenstapel.

Eine bevorzugte Reihenfolge sieht vor, dass nach dem Hochfahren zumindest des Brennstoffzellenstapels bzw. des Brennstoffzellensystems zuerst ein Trocknungsverfahren bzw. ein Trocknungsschritt zum Trocknen zumindest einer Gasdiffusionslage bzw. der Gasdiffusionslagen des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird. Anschließend wird ein Befeuchtungsverfahren bzw. ein Befeuchtungsschritt zum Befeuchten zumindest eines lonomers bzw. der lonomere des Brennstoffzellenstapels durch eine Current-On-Off Prozedur durchgeführt. Bei der Current-On-Off Prozedur wird an den Brennstoffzellenstapel abwechselnd eine (elektrische) Last und anschließend keine (elektrische) Last angelegt. In einem nächsten Schritt wird ein Kathoden-Recovery-Verfahren, insbesondere ein Platinoxid-Reduktionsverfahren zum Wiederherstellen eines Katalysators des Brennstoffzellenstapels durchgeführt. Das Platinoxid-Reduktionsverfahren kann ein Air-Understoich-Verfahren sein, wobei eine hohe Solllast eingestellt und der Luftvolumenstrom abgesenkt wird, bis die Zellspannung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einen Schwellwert, bspw. 0.2 V, unterschreitet. Eine Istlast, die sich bei gegebener Solllast und gegebenem Volumenstrom einstellt, kann sich über der Zeit verschieben und ein Indikator für die Steigerung der Massentransportwiderstände durch die alternde Elektrodenstruktur sein. Alternativ oder zusätzlich ist als Platinoxid-Reduktionsverfahren ein „Complete oxygen depletion under load“-Verfahren denkbar, wobei eine hohe Sollast eingestellt wird, jedoch die Kathodenventile komplett geschlossen sind, sodass kein Luftfluss mehr stattfindet und die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel somit homogen erholt wird (homogene Spannungsverteilung). Alternativ oder zusätzlich zu dem Kathoden-Recovery-Verfahren, wird in einem nächsten Schritt ein Anoden-Recovery-Verfahren, insbesondere ein Kohlenmonooxid-Reduktionsverfahren zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus dem Brennstoffzellenstapel, durchgeführt. In einem nächsten Schritt kann die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel auf einen Referenz-Lastpunkt gesteuert werden und bereit für die Charakterisierung der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels mittels zumindest eines Charakterisierungsverfahrens sein.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Charakterisierungsverfahren zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente, bspw. einer Brennstoffzelle (bzw. den Einzelkomponenten der Brennstoffzelle) oder eines Brennstoffzellenstapels, des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels zumindest eines der folgenden Verfahren ist:

- ein Polarisationskurveermittlungsverfahren zum Ermitteln einer Polarisationskurve, wobei insbesondere für ausgewählte Lastpunkte eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchgeführt wird, und/oder
- ein Current-Interruption-Verfahren zum Bestimmen eines Hochfrequenzwiderstands, und/oder
- ein Bleed-Down-Verfahren ohne Last und unter Druck zum Bestimmen eines Membrandefektes und/oder ein Bleed-Down-Verfahren ohne Last und ohne Gegendruck, und/oder
- ein Linear-Sweep Voltammetrie-Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoff-Crossovers und/oder zum Bestimmen eines elektronischen Widerstands zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels, und/oder
- ein Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren zum Bestimmen von Informationen über eine elektrochemische Oberfläche zumindest einer Elektrode des Brennstoffzellenstapels und/oder zum Bestimmen einer Doppelschichtkapazität und/oder zum Bestimmen eines Wasserstoff-Crossovers für eine Kathoden-Charakterisierung, und/oder
- ein Cyclic-Voltammetry-Verfahren für eine Kathoden-Charakterisierung, und/oder
- ein Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren und/oder ein Cyclic-Voltammetry-Verfahren für eine Anoden-Charakterisierung.

Für das Erhalten der Polarisationskurve erfolgt insbesondere ein Hoch- und/oder Runterrampen (strom- oder spannungsgesteuert) des Brennstoffzellenstapels. Somit kann ein globaler Gesundheitszustand der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels über einen Vergleich mit einer Begin-of-Life Kurve ermittelt werden. Bei dem Polarisationskurveermittlungsverfahren zum Ermitteln der Polarisationskurve kann ferner für ausgewählte Lastpunkte eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchgeführt werden. Somit kann ein Hochfrequenzwiderstand (bei bekannten Betriebsbedingungen) ermittelt werden und daraus ein Gesundheitszustand einer Membran bzw. der Membranen des Brennstoffzellenstapels. Ferner kann ein Protonenwiderstand einer Kathodenelektrode (bei trockenen Bedingungen (kleine Last und/oder geringe Gasfeuchte)) über den Teil des Spektrums zwischen dem Hochfrequenzwiderstand und der Kathodenkinetik ermittelt werden. Ferner können eine Kathodenkinetik und ein Massentransport-Bereich bei kleineren Frequenzen ermittelt werden.
Insbesondere werden für das Linear-Sweep-Voltammetrie-Verfahren zum Bestimmen des Wasserstoff-Crossovers und/oder zum Bestimmen des elektronischen Widerstands zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels und/oder für eine Kathoden-Charakterisierung H₂/N₂-Bedingungen geschaffen. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels eine Wasserstoff-Umgebung geschaffen und auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels wird eine Stickstoff-Umgebung geschaffen, bspw. mithilfe einer Versorgungsvorrichtung zum Versorgen des Brennstoffzellensystems bzw. des Brennstoffzellenstapels mit Stickstoff.
Mithilfe des Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren zur Kathoden-Charakterisierung (bzw. Anoden-Charakterisierung) können insbesondere Informationen über die elektrochemische Oberfläche einer Elektrode (Electrochemical Surface Area, ECSA) und eine Doppelschichtkapazität ermittelt werden, welche helfen, um den Gesundheitszustand einer Elektrode bewerten zu können (Indikator für die aktive Katalysatoroberfläche). Ferner können damit auch Informationen über den Wasserstoffübergang über eine Membran (Crossover) gewonnen werden.
Insbesondere werden für eine Anoden-Charakterisierung mittels dem Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren und/oder dem Cyclic-Voltammetry-Verfahren N₂/H₂-Bedingungen geschaffen. Mit anderen Worten, wird auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels eine Stickstoff-Umgebung, bspw. mithilfe einer Versorgungsvorrichtung zum Versorgen des Brennstoffzellensystems bzw. des Brennstoffzellenstapels mit Stickstoff, geschaffen und auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels wird eine Wasserstoff-Umgebung geschaffen. Um besonders schnell auf N₂/H₂-Bedingungen wechseln zu können, kann zuvor ein Bleed-Down unter Last mit Druck erfolgen.
Insbesondere werden für das Ermitteln eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels zumindest ein Polarisationskurvenermittlungsverfahren, ein Current-Interruption-Verfahren, ein Linear-Sweep Voltammetrie-Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoff-Crossovers und/oder zum Bestimmen eines elektronischen Widerstands zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels, ein Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren für eine Kathoden-Charakterisierung und ein Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren für eine Anoden-Charakterisierung durchgeführt. Somit kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft bewertet werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens der ermittelte Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems des Fahrzeuges zumindest in dem Fahrzeug abgespeichert wird. Somit kann ein Verlauf des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente besonders einfach über die Zeit ermittelt werden und ein Abruf von Daten, bspw. durch eine Werkstatt, kann entfallen. Der zumindest eine ermittelte Zustand der zumindest einen Komponente kann auf einer Speichereinheit, insbesondere einer nicht-flüchtigen Speichereinheit, des Fahrzeuges abgespeichert sein. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass der zumindest eine ermittelte Zustand der zumindest einen Komponente in einer Datenwolke („Cloud“), beziehungsweise auf Massenspeichern außerhalb, insbesondere extern, des Fahrzeuges, abgespeichert wird.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Verfahren zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems des Fahrzeuges jeweils in bestimmten Zeitabschnitten und/oder jeweils bei bestimmten Ereignissen durchgeführt wird. Somit kann ein Zustand der zumindest einen Komponente des Fahrzeuges besonders vorteilhaft überwacht werden. Das bestimmte Ereignis kann bspw. eine regelmäßige und/oder verpflichtende Untersuchung in einer Werkstatt sein, bspw. eine TÜV-Untersuchung.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems des Fahrzeuges ein Gesundheitszustand und/oder ein Degradationswert und/oder eine Restlebensdauer ermittelt wird. Der Zustand, insbesondere der Gesundheitszustand und/oder der Degradationswert und/oder die Restlebensdauer, der zumindest einen Komponente kann bspw. durch einen Vergleich aus durch erfasste Messsignale gewonnenen Daten mit Vergleichsdaten ermittelt werden. Die Vergleichsdaten können bspw. auf dem zumindest einem externen Messgerät hinterlegt und/oder durch das zumindest eine externe Messgerät abrufbar sein, bspw. von einer Datenwolke.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Fahrzeug an einem Prüfstand oder in einer Werkstatt positioniert wird. Somit können die Bedingungen für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft und/oder sicher sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein System aus einem Fahrzeug und einem Prüfstand oder einer Werkstatt, wobei das System dazu ausgeführt ist, ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.
Insbesondere kann das System eine Ermittlungseinheit mit einer Recheneinheit zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zumindest mit Hilfe des erfassten Messsignals aufweisen, bspw. indem das erfasst Messsignal oder daraus gewonnene Daten mit einem Referenzsignal verglichen wird bzw. mit Referenzdaten verglichen werden.
Das System gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen schematisch:

1 ein Verfahren, und
2 ein System.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
1 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Zustandes zumindest einer Komponente eines Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellensystems 100 eines Fahrzeuges 200. Insbesondere kann das Fahrzeug 200 an einem Prüfstand 400 oder in einer Werkstatt 400 positioniert werden 310. Ferner kann das Fahrzeug 200 in einen Diagnosemodus, bspw. durch ein externes Messgerät 20, mittels eines Diagnosesignals überführt werden 320. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein messtechnisches Verbinden 330 des Brennstoffzellenstapels 10 wenigstens mit zumindest einem externen Messgerät 20. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Hochfahren 340 zumindest des Brennstoffzellenstapels 10 in einen definierten Betriebszustand. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Durchführen 350 zumindest eines Recovery-Verfahrens zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels 10 in einen Referenz-Zustand. Es ist auch denkbar, dass mehrere unterschiedliche Recovery-Verfahren zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels 10 in den Referenz-Zustand nacheinander durchgeführt werden 351. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Durchführen 360 zumindest eines Charakterisierungsverfahrens zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels 10. Es ist auch denkbar, dass mehrere unterschiedliche Charakterisierungsverfahren zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels 10 nacheinander durchgeführt werden 361. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Erfassen 370 zumindest eines Messsignals während dem Durchführen bzw. während der Durchführung des zumindest einen Charakterisierungsverfahrens mittels des externen Messgerätes 20. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Ermitteln 380 des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 zumindest mit Hilfe des zumindest einen erfassten Messsignals.
Es kann bei dem in 1 dargestellten Verfahren von Vorteil sein, wenn das Brennstoffzellensystem 100 des Fahrzeuges 200 wenigstens mit einer externen Versorgungsvorrichtung 30 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit zumindest einem Fluid, insbesondere Stickstoff, fluidtechnisch verbunden wird 332.
Es kann bei dem in 1 dargestellten Verfahren ferner von Vorteil sein, wenn wenigstens der ermittelte Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 des Fahrzeuges 200 zumindest in dem Fahrzeug 200 abgespeichert wird 390.
Es kann bei dem in 1 dargestellten Verfahren ferner von Vorteil sein, wenn das Verfahren zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 des Fahrzeuges 200 jeweils in bestimmten Zeitabschnitten und/oder jeweils bei bestimmten Ereignissen durchgeführt wird. Mit anderen Worten, kann das Verfahren wiederholend durchgeführt werden zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 des Fahrzeuges 200.
Es kann bei dem in 1 dargestellten Verfahren ferner von Vorteil sein, wenn als Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 des Fahrzeuges 200 ein Gesundheitszustand und/oder ein Degradationswert und/oder eine Restlebensdauer ermittelt wird 381.
2 offenbart ein System aus einem Fahrzeug 200 und einem Prüfstand 400 oder einer Werkstatt 400, wobei das System dazu ausgeführt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren, wie es beispielhaft zu 1 beschrieben ist, durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln zumindest eines Zustandes zumindest einer Komponente eines Brennstoffzellenstapels (10) eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeuges (200), wobei das Verfahren aufweist: - messtechnisches Verbinden (330) des Brennstoffzellenstapels (10) wenigstens mit zumindest einem externen Messgerät (20), - Hochfahren (340) zumindest des Brennstoffzellenstapels (10) in einen definierten Betriebszustand, - Durchführen (350) zumindest eines Recovery-Verfahrens zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels (10) in einen Referenz-Zustand, - Durchführen (360) zumindest eines Charakterisierungsverfahrens zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels (10), - Erfassen (370) zumindest eines Messsignals während dem Durchführen des zumindest einen Charakterisierungsverfahrens mittels dem externen Messgerät (20), - Ermitteln (380) des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) zumindest mit Hilfe des zumindest einen erfassten Messsignals.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Recovery-Verfahren zum Überführen des hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels (10) in den Referenz-Zustand nacheinander durchgeführt werden (351).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Charakterisierungsverfahren zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels (10) nacheinander durchgeführt werden (361).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) des Fahrzeuges (200) wenigstens mit einer externen Versorgungsvorrichtung (30) zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit zumindest einem Fluid, insbesondere Stickstoff, fluidtechnisch verbunden wird (332).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Recovery-Verfahren zum Überführen (350) des zumindest einen hochgefahrenen Brennstoffzellenstapels (10) in den Referenz-Zustand zumindest eines der folgenden Verfahren ist: - ein Trocknungsverfahren zum Trocknen zumindest einer Gasdiffusionslage des Brennstoffzellenstapels (10), und/oder - ein Befeuchtungsverfahren zum Befeuchten zumindest eines lonomers des Brennstoffzellenstapels (10) durch eine Current-On-Off Prozedur, und/oder - ein Kathoden-Recovery-Verfahren, insbesondere ein Platinoxid-Reduktionsverfahren zum Wiederherstellen eines Katalysators des Brennstoffzellenstapels (10), und/oder - ein Anoden-Recovery-Verfahren, insbesondere ein Kohlenmonoxid-Reduktionsverfahren zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus dem Brennstoffzellenstapel (10).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Charakterisierungsverfahren zum Charakterisieren der zumindest einen Komponente des in den Referenz-Zustand überführten Brennstoffzellenstapels (10) zumindest eines der folgenden Verfahren ist: - ein Polarisationskurveermittlungsverfahren zum Ermitteln einer Polarisationskurve, wobei insbesondere für ausgewählte Lastpunkte eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchgeführt wird, und/oder - ein Current-Interruption-Verfahren zum Bestimmen eines Hochfrequenzwiderstands, und/oder - ein Bleed-Down-Verfahren ohne Last und unter Druck zum Bestimmen eines Membrandefektes und/oder ein Bleed-Down-Verfahren ohne Last und ohne Gegendruck, und/oder - ein Linear-Sweep Voltammetrie-Verfahren zum Bestimmen eines Wasserstoff-Crossovers und/oder zum Bestimmen eines elektronischen Widerstands zumindest einer Membran des Brennstoffzellenstapels, und/oder - ein Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren zum Bestimmen von Informationen über eine elektrochemische Oberfläche zumindest einer Elektrode des Brennstoffzellenstapels und/oder zum Bestimmen einer Doppelschichtkapazität und/oder zum Bestimmen eines Wasserstoff-Crossovers für eine Kathoden-Charakterisierung, und/oder - ein Cyclic-Voltammetry-Verfahren für eine Kathoden-Charakterisierung, und/oder - ein Galvanostatic-Charge/Discharge Verfahren und/oder ein Cyclic-Voltammetry-Verfahren für eine Anoden-Charakterisierung.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der ermittelte Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) des Fahrzeuges (200) zumindest in dem Fahrzeug (200) abgespeichert wird (390).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Ermitteln des zumindest einen Zustandes der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) des Fahrzeuges (200) jeweils in bestimmten Zeitabschnitten und/oder jeweils bei bestimmten Ereignissen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustand der zumindest einen Komponente des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) des Fahrzeuges (200) ein Gesundheitszustand und/oder ein Degradationswert und/oder eine Restlebensdauer ermittelt wird (381).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (200) an einem Prüfstand (400) oder in einer Werkstatt (400) positioniert wird (310).
System aus Fahrzeug (200) und einem Prüfstand (400) oder einer Werkstatt (400), wobei das System dazu ausgeführt ist, ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.