DE102023132470A1 - DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING A CONDITION OF A FUEL CELL - Google Patents
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Abstract
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst ein Bestimmen von Daten, welche eine erste Polarisationskurve repräsentieren, die einen erwarteten Zustand der Brennstoffzelle zu Betriebsbeginn, nach einer bestimmten Betriebsdauer oder zu Betriebsende wiedergibt, ein Ableiten einer Abweichung zwischen Messdaten und der ersten Polarisationskurve und ein Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle auf Basis der Abweichung.A method according to the invention includes determining data which represent a first polarization curve, which reflects an expected state of the fuel cell at the start of operation, after a certain period of operation or at the end of operation, deriving a deviation between measurement data and the first polarization curve and determining the state of the fuel cell based on the deviation.
Description
GEBIETAREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustandes einer Brennstoffzelle.The present invention relates to a device and a method for determining a state of a fuel cell.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Brennstoffzellen sind einem Alterungsprozess unterworfen, der im Laufe des Betriebes typischerweise zu einer Veränderung der Polarisationskurve der Brennstoffzelle führt.Fuel cells are subject to an aging process, which typically leads to a change in the polarization curve of the fuel cell during operation.
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst ein Bestimmen von Daten, welche eine erste Polarisationskurve repräsentieren, die einen erwarteten Zustand der Brennstoffzelle zu Betriebsbeginn, nach einer bestimmten Betriebsdauer oder zu Betriebsende wiedergibt, ein Ableiten einer Abweichung zwischen Messdaten und der ersten Polarisationskurve und ein Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle auf Basis der Abweichung.A method according to the invention includes determining data which represent a first polarization curve, which reflects an expected state of the fuel cell at the start of operation, after a certain period of operation or at the end of operation, deriving a deviation between measurement data and the first polarization curve and determining the state of the fuel cell based on the deviation.
In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Polarisationskurve“, wie er im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche verwendet wird, insbesondere eine Kurve zu verstehen, welche die Abhängigkeit, der durch die zumindest eine Brennstoffzelle zwischen Anode und Kathode erzeugten, elektrischen Spannung von der Stromdichte beschreibt. Besagte Polarisationskurve verschiebt sich durch Alterungsprozesse im Laufe des Betriebes der Brennstoffzelle typischerweise bei gleichen Stromdichten zu geringeren Spannungen. Insofern erlaubt die Bestimmung der Polarisationskurve der Brennstoffzelle zu einem bestimmten Zeitpunkt im Lebenszyklus der Brennstoffzelle eine Vorhersage des Alterungs- oder Gesundheitszustands („State of Health, SoH“) zu ebenjenem Zeitpunkt.In this context, the term “polarization curve”, as used in the context of the present description and the claims, is to be understood in particular as a curve which shows the dependence of the electrical voltage generated by the at least one fuel cell between the anode and cathode on the Current density describes. Said polarization curve typically shifts to lower voltages due to aging processes during the operation of the fuel cell at the same current densities. In this respect, determining the polarization curve of the fuel cell at a certain point in the life cycle of the fuel cell allows a prediction of the aging or health status (“State of Health, SoH”) at that point in time.
Der Alterungs- oder Gesundheitszustand kann dabei aus der Abweichung der bestimmten Polarisationskurve von einer (durch Messung oder Analyse bestimmten) Referenzpolarisationskurve, die einen erwarteten Zustand der Brennstoffzelle zu Betriebsbeginn, nach einer bestimmten Betriebsdauer oder zu Betriebsende wiedergibt, bestimmt werden. Dabei versteht es sich, dass die Brennstoffzelle zu Betriebsbeginn keinen oder nur unwesentlichen Alterungserscheinungen unterworfen ist und die Alterungserscheinungen mit dem fortschreitenden Betrieb der Brennstoffzelle zunehmen.The aging or state of health can be determined from the deviation of the specific polarization curve from a reference polarization curve (determined by measurement or analysis), which reflects an expected state of the fuel cell at the start of operation, after a certain period of operation or at the end of operation. It is understood that the fuel cell is not subject to any or only insignificant signs of aging at the start of operation and that the signs of aging increase as the fuel cell continues to operate.
Wird die Polarisationskurve der Brennstoffzelle zu Betriebsbeginn als Referenz verwendet, ist die Alterung daher umso größer bzw. die Gesundheit umso geringer, je größer die Abweichung ist. Wird hingegen die Polarisationskurve der Brennstoffzelle zu Betriebsende als Referenz verwendet, ist die Alterung umso größer bzw. die Gesundheit umso geringer, je kleiner die Abweichung ist. Natürlich kann die Ableitung der Abweichung der bestimmten Polarisationskurve von der Referenzpolarisationskurve im Betrieb auch ohne vollständige (oder ggf. teilweise) Erfassung der Polarisationskurve erfolgen, indem anderweitig bestimmt wird, inwieweit die Messdaten zu der Referenzpolarisationskurve passen.If the polarization curve of the fuel cell is used as a reference at the start of operation, the greater the deviation, the greater the aging and the lower the health. However, if the polarization curve of the fuel cell is used as a reference at the end of operation, the smaller the deviation, the greater the aging and the lower the health. Of course, the deviation of the specific polarization curve from the reference polarization curve can also be derived during operation without complete (or possibly partial) detection of the polarization curve by otherwise determining to what extent the measurement data fit the reference polarization curve.
Unter Berücksichtigung des Zustandes der Brennstoffzelle können dann elektrische und thermodynamische Gegebenheiten, denen die Brennstoffzelle im weiteren Betrieb ausgesetzt ist, angepasst werden. Durch Anpassen der elektrischen und thermodynamischen Gegebenheiten kann eine hinsichtlich der beim Betrieb zu erwartenden Alterung verbesserte Betriebsstrategie erzielt werden.Taking into account the state of the fuel cell, electrical and thermodynamic conditions to which the fuel cell is exposed during further operation can then be adjusted. By adapting the electrical and thermodynamic conditions, an improved operating strategy can be achieved with regard to the aging expected during operation.
Die Messdaten können einen zu einem Referenzstromdichtewert zugehörigen Spannungswert der Brennstoffzelle umfassen.The measurement data can include a voltage value of the fuel cell associated with a reference current density value.
Der Referenzstromdichtewert kann so gewählt sein, dass er in einem ohmschen Bereich der Polarisationskurve liegt. Dieser kann von der jeweiligen Verwendung der Brennstoffzelle abhängen und bspw. im Bereich von 40% bis 70% der Nennlast liegen.The reference current density value can be chosen so that it lies in an ohmic region of the polarization curve. This can depend on the respective use of the fuel cell and can, for example, be in the range of 40% to 70% of the nominal load.
Die Messdaten können eine Reihe an Stromdichtewerten und zu den Stromdichtewerten zugehörige Spannungswerte umfassen.The measurement data may include a series of current density values and voltage values associated with the current density values.
Die Strom-/Spannungswertpaare können verwendet werden, um eine zweite Polarisationskurve abzuleiten. Bspw. kann die zweite Polarisationskurve mittels eines Fitting-Verfahrens aus den Wertepaaren abgeleitet werden.The current/voltage value pairs can be used to derive a second polarization curve. For example, the second polarization curve can be derived from the value pairs using a fitting method.
Das Verfahren kann ferner ein Ableiten der zweiten Polarisationskurve auf Basis der Messdaten umfassen, wobei die Abweichung zwischen den Messdaten und der ersten Polarisationskurve einen Vergleich der ersten Polarisationskurve und der zweiten Polarisationskurve umfasst.The method may further include deriving the second polarization curve based on the measurement data, wherein the deviation between the measurement data and the first polarization curve includes a comparison of the first polarization curve and the second polarization curve.
Das Ableiten der zweiten Polarisationskurve kann auf einem analytischen Modell der Brennstoffzelle, vorzugsweise dem Kulikovsky-Modell, basieren.The derivation of the second polarization curve can be based on an analytical model of the fuel cell, preferably the Kulikovsky model.
Bspw. kann das analytische Modell genutzt werden, die Polarisationskurve mittels eines Fitting-Verfahrens aus den Wertepaaren abzuleiten, indem aus dem Modell Randbedingungen abgeleitet werden.For example, the analytical model can be used to derive the polarization curve from the value pairs using a fitting process by deriving boundary conditions from the model.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen nichtflüchtigen Speicher, in dem Daten gespeichert sind, welche eine erste Polarisationskurve repräsentieren, die einen erwarteten Zustand der Brennstoffzelle zu Betriebsbeginn, nach einer bestimmten Betriebsdauer oder zu Betriebsende wiedergeben, einen Sensor, eingerichtet zum Erfassen von Messdaten, und einen Prozessor, eingerichtet zum Ableiten einer Abweichung zwischen den Messdaten und der ersten Polarisationskurve und zum Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle auf Basis der Abweichung.A device according to the invention comprises a non-volatile memory in which data is stored which represents a first polarization curve which reflects an expected state of the fuel cell at the start of operation, after a certain period of operation or at the end of operation, a sensor set up to record measurement data, and a processor , set up to derive a deviation between the measurement data and the first polarization curve and to determine the state of the fuel cell based on the deviation.
Die Messdaten können einen zu einem Referenzstromdichtewert zugehörigen Spannungswert der Brennstoffzelle umfassen.The measurement data can include a voltage value of the fuel cell associated with a reference current density value.
Die Messdaten können eine Reihe an Stromdichtewerten und zu den Stromdichtewerten zugehörige Spannungswerte umfassen.The measurement data may include a series of current density values and voltage values associated with the current density values.
Der Prozessor kann ferner eingerichtet sein, eine zweite Polarisationskurve auf Basis der Messdaten abzuleiten, wobei das Ableiten der Abweichung zwischen den Messdaten und der ersten Polarisationskurve auf einem Vergleich der ersten Polarisationskurve und der zweiten Polarisationskurve basiert.The processor can further be set up to derive a second polarization curve based on the measurement data, the derivation of the deviation between the measurement data and the first polarization curve being based on a comparison of the first polarization curve and the second polarization curve.
Das Ableiten der zweiten Polarisationskurve kann auf einem analytischen Modell der Brennstoffzelle, vorzugsweise dem Kulikovsky-Modell, basieren.The derivation of the second polarization curve can be based on an analytical model of the fuel cell, preferably the Kulikovsky model.
Die Vorrichtung kann als Steuergerät zur Steuerung elektrischer und thermodynamischer Gegebenheiten, denen die Brennstoffzelle während eines Betriebs der Brennstoffzelle unterliegt, ausgebildet sein.The device can be designed as a control device for controlling electrical and thermodynamic conditions to which the fuel cell is subject during operation of the fuel cell.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Computerprogramm Befehle umfassen, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.Furthermore, a computer program according to the invention can include instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method according to the invention.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle; -
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels; -
3 eine schematische Darstellung der Auswirkung von Alterungsprozessen auf die Polarisationskurve der Brennstoffzelle; -
3a das Ableiten eines Verlaufes der Polarisationskurve zu einem bestimmten Zeitpunkt auf Basis eines zu einem Referenzstromdichtewert zugehörigen Spannungswertes; -
3b das Ableiten eines Verlaufes der Polarisationskurve zu einem bestimmten Zeitpunkt auf Basis einer Reihe an Stromdichtewerten und zu den Stromdichtewerten zugehörigen Spannungswerten; -
4 ein Steuergerät zur Steuerung elektrischer und thermodynamischer Gegebenheiten, denen die Brennstoffzelle während des Betriebs unterliegt; und -
5 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines computerimplementierten Verfahrens zum Bestimmen eines Zustandes der Brennstoffzelle zeigt.
-
1 a schematic representation of a fuel cell; -
2 a schematic representation of a fuel cell stack; -
3 a schematic representation of the effect of aging processes on the polarization curve of the fuel cell; -
3a deriving a course of the polarization curve at a specific point in time based on a voltage value associated with a reference current density value; -
3b deriving a course of the polarization curve at a specific point in time based on a series of current density values and voltage values associated with the current density values; -
4 a control device for controlling electrical and thermodynamic conditions to which the fuel cell is subject during operation; and -
5 shows a schematic representation of the sequence of a computer-implemented method for determining a state of the fuel cell.
Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.In the drawings, the same or functionally similar elements are identified by the same reference numerals.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Wie in
Besagte Verschiebung kann, wie in
Besagte Verschiebung kann ferner, wie in
Die Verschiebung kann dabei in Relation zu einem Anfangszustand, einem Endzustand (welcher das Lebensende der Brennstoffzelle 10 repräsentiert) oder einem zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand liegenden Zustand bestimmt werden. Die Verschiebung kann ferner dazu benutzt werden, den Alterungszustand der Brennstoffzelle 10 zu bestimmen.The shift can be determined in relation to an initial state, a final state (which represents the end of the life of the fuel cell 10) or a state lying between the initial and final states. The shift can also be used to determine the aging state of the
Das Verfahren endet dann bei Schritt 36 mit dem Bestimmen des Zustandes der Brennstoffzelle 10 auf Basis der Abweichung. Bspw. kann bestimmt werden, dass die Abweichung der bestimmten Polarisationskurve 26 von der initialen Polarisationskurve 28 eine bestimmte Restbetriebsdauer nahelegt. Insbesondere kann ein Maß für die Verschiebung verwendet werden, welches mit dem Alterungszustand der Brennstoffzelle 10 korreliert.The method then ends at
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST
- 1010
- BrennstoffzelleFuel cell
- 1212
- Kathodecathode
- 1414
- KatalysatorschichtCatalyst layer
- 1616
- Membranmembrane
- 1818
- KatalysatorschichtCatalyst layer
- 2020
- Anodeanode
- 2222
- BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
- 2424
- BipolarplatteBipolar plate
- 2626
- Polarisationskurve (initial)Polarization curve (initial)
- 2828
- Polarisationskurve (nach Alterung der Polymerelektrolytbrennstoffzelle)Polarization curve (after aging of the polymer electrolyte fuel cell)
- 3030
- SteuergerätControl unit
- 3232
- SchrittStep
- 3434
- SchrittStep
- 3636
- SchrittStep
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-
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