WO2020124116A1 - Betriebsvorrichtung, brennstoffzellensystem, kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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fuel cell
operating
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specific
countermeasure
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Markus Kogler
Alexander Schenk
Stefan POFAHL
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Definitions

  • the present invention relates to an operating device for operating a fuel cell, comprising an ascertaining module for ascertaining
  • an analysis module for determining
  • Fuel cell system with an operating device according to the invention a motor vehicle with a fuel cell system according to the invention and a method for operating a fuel cell system according to the invention.
  • Fuel cell systems are known in the prior art, in which operating parameters of the fuel cell, such as voltage, current, temperature, humidity or pressure, are measured by means of sensors. If an operating parameter leaves a predetermined operating parameter range, so that operational safety of the fuel cell is endangered, the fuel cell usually has to be switched off or at least reduced.
  • EP 2 845 255 B1 describes a method for determining critical
  • THDA Total Harmony Distortion Analysis
  • EP 3 038 199 A1 discloses a fuel cell system with a fuel cell, a temperature sensor for measuring a temperature of the fuel cell and a control device for causing the fuel cell to increase a water balance when the measured temperature is one
  • the fuel cell system has an impedance measuring device for measuring an impedance of the fuel cell, the control device being designed to increase the water balance as a function of the measured impedance if the measured impedance is one
  • Impedance threshold reached or undershot.
  • the disadvantage of fuel cells is that essentially only a determination of the “state of operation” (SOO) of the fuel cell is carried out. In the event that an operating parameter limit value is exceeded, the fuel cell usually has to be shut down.
  • an object of the present invention to provide an operating device for operating a fuel cell, a fuel cell system, a motor vehicle and a
  • the above object is solved by the claims.
  • the above object is achieved by the operating device for operating a fuel cell according to claim 1, the fuel cell system for providing electrical energy according to claim 8, the motor vehicle according to claim 9 and the method for operating a fuel cell system according to claim 10. Further advantages of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the operating device according to the invention apply, of course, also in connection with the operating device according to the invention
  • Fuel cell system the motor vehicle according to the invention and the
  • the object is achieved by an operating device for operating a fuel cell.
  • Operating device has a determination module for determining
  • an analysis module for determining
  • THDA Total Harmony Distortion Analysis
  • control module Operating device on a memory module for storing a signal reaction matrix, the control module having reaction means for a control intervention in the operation of the fuel cell on the basis of a determined
  • reaction means are in particular means for reducing the electrical current, for increasing the anode mass flow and / or for increasing the cell pressure of the fuel cell and consequently provide specific countermeasures.
  • Reaction agents within the meaning of the present invention are understood to mean, in particular, electrical components which, as part of the control module, can carry out the desired countermeasures in an electrical manner or can at least partially carry them out. These control means can also interact with other electrical components outside the control module.
  • the fuel cell can be operated by means of the operating device. This means that operating parameters of the fuel cell, such as a
  • Operating device can be influenced in a targeted manner.
  • the operating device can be designed, for example, to control and / or regulate the fuel cell.
  • the fuel cell system comprises at least one voltage sensor and / or at least one current sensor.
  • the THDA is used in the context of the present invention in particular to analyze and / or process the operating parameters determined by the determination module. A quantitative analysis of the portions of the determined signal, which result in a
  • the THDA serves the determined operating parameters with regard to the THD (total harmony
  • This analysis result can be the operating state directly or can be used as a basis for a further determination of the operating state.
  • the determination module preferably has one or more sensors and / or one or more for determining the operating parameters of the fuel cell
  • Measuring devices on. Preferred sensors are a temperature sensor for measuring a temperature on and / or in the fuel cell, a pressure sensor for measuring a pressure upstream and / or in and / or behind the fuel cell, a moisture sensor for measuring a moisture level on and / or in the fuel cell, in particular on a membrane of the fuel cell, an entrance to the
  • Preferred measuring devices are, for example, a voltmeter for measuring an electrical voltage of the fuel cell, an ammeter for measuring an electrical current of the fuel cell or the like.
  • the determination module is also designed to make the operating parameters determined by the determination module available to the analysis module.
  • a voltmeter and / or ammeter is required to perform the THD analysis.
  • the other sensors mentioned above are preferably used only as a reference value for the regulation or for the controlling intervention in the operation of the fuel cell on the basis of a determined one
  • the operating device has a setpoint (modified by the THDA) for pressure, air mass flow, temperature, humidity predefined and, taking current measured values into account, delivers an actuating signal for actuators.
  • the analysis module is designed to determine operating states of the fuel cell.
  • an operating state of the fuel cell is understood to mean the amount of a deviation from a target operating value.
  • a high value of an operating state therefore means a high deviation from the target operating value.
  • the analysis module is designed to carry out a total harmony distortion analysis (THDA) based on the determined operating parameters.
  • THDA total harmony distortion analysis
  • the memory module is designed to store the signal reaction matrix.
  • the signal reaction matrix is preferably already stored in the memory module.
  • the signal reaction matrix can be stored completely or partially, in particular in an irreversible memory section of the memory module, and cannot be changed.
  • the memory module and the comparison module each have a corresponding interface in order to carry out the comparison.
  • the signal reaction matrix is a matrix in which at least one is determined for at least one determined operating state
  • the specific countermeasures are preferably defined in such a way that they are suitable for improving the respective operating state. Improving the operating state is also understood to mean reducing the value of the operating state.
  • the signal response matrix is a complex one
  • Data structure which not only provides data in a structured manner, but also works with the memory module and the comparison module via the interfaces described.
  • the control module is designed to control the operation of the fuel cell. Furthermore, the control module is designed to compare the determined operating states with the signal reaction matrix and thus in the signal reaction matrix Identify specific countermeasures that are assigned to the respective operating state in the signal reaction matrix. The specific countermeasures can preferably be carried out by means of the control module.
  • the operating device is preferably designed, the fuel cell
  • Countermeasures can be carried out automatically.
  • the operating device is thus designed to react continuously to deviations in the operating parameters in order to reduce these deviations.
  • the operating device according to the invention thus provides a quick response to
  • Fluctuations in operating parameters can be achieved and thus a longer or
  • the signal reaction matrix has at least one type of signal, each with several operating state classes, the operating state classes being assigned different operating state spectra of the total harmony distortion analysis, and the individual operating state classes being assigned at least one specific countermeasure for improving the operating state of the fuel cell.
  • a signal type is understood to mean a fault condition of the fuel cell, such as, for example, droplet formation, drying out, inadequate media supply or the like.
  • the presence of a signal type can be determined via parameters of the fuel cell, such as temperature, electrical voltage or
  • the operating status classes of a signal type cover each Operating state spectrum from, the operating state spectra preferably have no overlaps. Preferred operating state spectra range from 1-30%, 31-60% and 61-100% THD.
  • Operating status can thus be assigned to at most one operating status class.
  • the various operating state spectra are furthermore formed continuously and continuously with one another, so that a specific operating state can thus be clearly assigned to an operating state class.
  • At least one specific countermeasure is assigned to the operating condition classes. This has the advantage that the operating device with simple means and on a
  • Countermeasures have different intensities, the specific countermeasures being assigned to the operating condition classes such that the intensity of the specific countermeasure of a higher operating condition class is greater than or equal to the intensity of the specific countermeasure one
  • the specific countermeasures are accordingly listed in the signal reaction matrix in such a way that, in the event of relatively small deviations in the operating parameters from TARGET operating parameters, corresponding specific countermeasures can be identified which have a relatively minor influence on the change in the respective one
  • overcorrection is understood in particular to mean the implementation of a countermeasure which initially brings about an improvement up to the optimal state and then causes an excessive deterioration in the operating parameter beyond the optimal state.
  • water can, for example, be guided past a humidifier via a humidifier bypass as a countermeasure and thus be removed to the fuel cell.
  • the signal reaction matrix further preferably has at least one
  • the different specific countermeasures within an operating state class are preferably structured hierarchically in the signal reaction matrix. Based on the hierarchical structure, the specific countermeasures can be successively selected and carried out. If the operating status class does not improve after the implementation of a highly hierarchical specific countermeasure, the specific one that follows in the hierarchy can
  • Operating device is thus designed to respond to unexpected events such as
  • Fuel cell and / or an insufficient fuel supply to the fuel cell comprises.
  • an inadequate air supply and an inadequate fuel supply can also be summarized as an insufficient supply of operating materials.
  • a single detection of air mass flow and fuel mass flow, in particular hydrogen mass flow, is not required.
  • the determination module has a temperature sensor for determining a temperature of the fuel cell, in particular before, in and / or behind the fuel cell, and / or a pressure sensor for determining a pressure of the fuel cell, in particular before and / or in and / or behind the fuel cell, and / or an air mass flow sensor for determining an air mass flow of the fuel cell and / or
  • Fuel mass flow sensor for determining a fuel mass flow of the fuel cell and / or a moisture sensor for determining a moisture, in particular a membrane, inside the fuel cell and / or
  • Voltage meter for measuring an electrical voltage of the fuel cell and / or a current meter for measuring an electrical current of the fuel cell. It can be provided according to the invention that the
  • Fuel mass flow sensor is designed to determine an operating medium mass flow supplied to the fuel cell, the operating medium mass flow comprising air or oxygen and fuel or hydrogen.
  • the moisture sensor is preferably designed to measure the moisture at the fuel cell stack entrance and / or within the fuel cell and / or at the fuel cell stack exit. Additionally or alternatively, air volume flow sensors and fuel volume flow sensors can also be used. The essential operating parameters of the fuel cell can be determined or measured by means of such sensors.
  • the object is achieved by a
  • Fuel cell system has a fuel cell and an operating device according to the invention for operating the fuel cell.
  • the fuel cell is preferably designed in accordance with a conventional fuel cell with a membrane, an anode, a cathode, a fuel supply, an oxygen supply and a water discharge.
  • the water drainage is, for example, via a
  • the fuel cell system is a cooling system for cooling the fuel cell or the fuel cell stack.
  • the fuel cell system is a cooling system for cooling the fuel cell or the fuel cell stack.
  • Fuel cell system on several fuel cells which are preferably combined into one or more fuel cell stacks. It is preferred here that an operating device is designed and set up to operate a plurality of fuel cells or one or more fuel cell stacks. In addition, it can be provided that the fuel cell system has a plurality of operating devices according to the invention, which are each designed and set up to operate one or more fuel cells.
  • a fuel cell system according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the operating device according to the invention. Accordingly, the invention
  • Countermeasures can be identified by means of which the operating states of the fuel cell can be improved or values of the operating states can be reduced.
  • a quick reaction to fluctuations in operating parameters can thus be achieved and thus a longer or more robust operation of the fuel cell can be ensured.
  • the object is achieved by a motor vehicle with a fuel cell system according to the invention for providing electrical energy and at least one electric motor for driving the motor vehicle with at least partial use of the electrical energy generated by the
  • Fuel cell system is provided solved. Preferably that
  • Motor vehicle on at least one battery for storing or temporarily storing the electrical energy provided by the fuel cell system.
  • a motor vehicle according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the operating device according to the invention and the fuel cell system according to the invention. Accordingly, the motor vehicle according to the invention has the advantage over conventional motor vehicles that specific, specific countermeasures can be identified using simple means and in a cost-effective manner on the basis of determined operating states of the fuel cell, by means of which the operating states of the Fuel cell can be improved or values of the operating states can be reduced. In the motor vehicle according to the invention there is therefore a quick response to
  • Fluctuations in operating parameters can be achieved and thus a longer or
  • the object is achieved by a method for operating a fuel cell system according to the invention.
  • the process has the following steps:
  • the operating parameters are determined, for example, by means of at least one sensor of the determination module.
  • the operating parameters include, for example, measuring a temperature of the fuel cell using a temperature sensor, measuring a pressure upstream and / or in and / or behind the fuel cell using a pressure sensor, measuring a moisture level upstream and / or in and / or behind the fuel cell, in particular on a membrane of the fuel cell, by means of a moisture sensor, measuring an electrical voltage of the fuel cell by means of a voltmeter or measuring an electrical current of the
  • Fuel cell used by means of an ammeter The determined
  • Operating parameters are made available to the analysis module by the determination module.
  • the operating states of the fuel cell are determined using the analysis mode.
  • an operating state of the fuel cell is understood to mean the amount of a deviation from a target operating value.
  • a high value of an operating state therefore means a high deviation from the target operating value.
  • the analysis module manages operating states based on the determined
  • THDA Total Harmony Distortion Analysis
  • the control module compares the determined operating states with the signal reaction matrix. This way, in the
  • Identified specific countermeasures which are assigned to the respective operating state in the signal reaction matrix, are identified.
  • control module then controls the fuel cell.
  • the identified countermeasure is implemented. It can be provided that the control module takes the fuel cell into account, taking into account the specific identified
  • the method according to the invention is preferably carried out iteratively in order to achieve a continuous improvement in the operating state and a quick reaction to a deterioration in the operating state.
  • a method according to the invention thus brings with it the same advantages as have been described in detail with reference to the operating device according to the invention. Accordingly, the method according to the invention has
  • Fuel cell specific specific countermeasures can be identified, by means of which the operating states of the fuel cell can be improved or values of
  • At least one determined operating state is one in the signal Reaction matrix is assigned to defined operating state class, the specific countermeasure being identified which is assigned to the same operating state class in the signal reaction matrix.
  • the signal reaction matrix has at least one type of signal, each with a plurality of operating state classes, the operating state classes being assigned different operating state spectra of the total harmony distortion analysis, and the individual operating state classes being assigned at least one specific countermeasure for improving the operating state of the fuel cell.
  • a Sig nalart is a parameter of the fuel cell, such as temperature, voltage, pressure, humidity or the like, understood in the context of the invention.
  • the operating state classes of a signal type each cover an operating state spectrum, the operating state spectra preferably not having any overlaps.
  • a specific operating state can thus be assigned to at most one operating state class.
  • the various operating state spectra are furthermore formed continuously and continuously with one another, so that a specific operating state can thus be clearly assigned to an operating state class.
  • At least one specific countermeasure is assigned to the operating condition classes. This has the advantage that a particularly suitable countermeasure for improving the operating state is identified and preferably also carried out on the basis of the determined operating state.
  • the operating state of the fuel cell is determined repeatedly using the analysis module, and in the event that the determined operating state does not have a predetermined minimum improvement due to the specific countermeasure, an intensity of the countermeasure is increased.
  • the method is therefore preferably carried out continuously during the operation of the fuel cell.
  • it can be determined whether the current intensity of this countermeasure is suitable for sufficiently improving the operating state. If it is determined that the degree of the reaction is too low, that is to say the predetermined minimum improvement is not achieved, the intensity of the specific countermeasure is increased, in order thus to bring about a greater improvement in the operating state of the fuel cell.
  • an increase in the intensity of the countermeasure means a further increase in temperature.
  • increasing the intensity means increased cooling.
  • the specific countermeasures are preferably selected according to a hierarchy between a number of specific countermeasures within an operating status class, the specific countermeasure which has the highest priority being carried out first and the next prioritized specific countermeasure being carried out if the operating status is not improved sufficiently. It is preferred that the method is carried out iteratively. If, for example, a specific countermeasure has already been carried out with the highest intensity and the improvement in the operating state is too small, an additional countermeasure for improving the operating state is identified and carried out. This has the advantage that an improvement in the operating state can be achieved more easily with simple means and in a cost-effective manner.
  • all specific countermeasures of an operating status class are carried out successively in accordance with their hierarchy until the operating status reaches a predefined operating status threshold value.
  • a reaction period until the initiation of a second countermeasure, which has the next highest hierarchical level is defined in order to initially react to the first cell wait for the countermeasure.
  • the first countermeasure is first carried out and analyzed as to whether the predefined operating state threshold value has already been reached after the reaction period has elapsed. If this is not the case, the second countermeasure is initiated, etc. It can also be provided according to the invention that the countermeasures are carried out at least partially in parallel.
  • the first countermeasure can also be continued, for example, after the second countermeasure has been initiated.
  • This has the advantage that an efficient improvement of the operating state of the fuel cell is ensured with simple means and in a cost-effective manner. It is preferred that, as a specific countermeasure, in the event of excessive moisture in the fuel cell, a temperature of the fuel cell is increased, the removal of moist air via a humidifier bypass is increased, a pressure in the fuel cell is reduced or a current of the fuel cell is reduced, and / or that if the humidity in the fuel cell is too low, a temperature of the fuel cell is reduced, the removal of moist air via the humidifier bypass is reduced, a pressure in the fuel cell is increased or an amperage of the fuel cell is increased. If the humidity is too high, an operating medium mass flow is preferably additionally or alternatively increased.
  • These specific countermeasures are particularly suitable to improve the respective operating conditions.
  • Figure 1 shows a preferred embodiment of an inventive
  • FIG. 2 shows a side view of a preferred embodiment of a motor vehicle according to the invention
  • Figure 3 shows a preferred signal response matrix for the signal type
  • FIG. 4 shows a preferred signal reaction matrix for the “drying out” signal type
  • FIG. 5 shows a preferred signal reaction matrix for the signal type “insufficient
  • Fig. 1 is a preferred embodiment of an inventive
  • Fuel cell system 14 is shown schematically.
  • the fuel cell system 14 has a fuel cell 2 for generating electrical current and an operating device 1 for operating the fuel cell 2.
  • the fuel cell system 14 has a fuel cell 2 for generating electrical current and an operating device 1 for operating the fuel cell 2.
  • Operating device 1 has a determination module 3 for determining
  • Operating parameters of the fuel cell 2 an analysis module 4 for determining operating states of the fuel cell 2 on the basis of the determined operating parameters by means of a total harmony distortion analysis, a memory module 6 for storing a signal reaction matrix (see FIGS. 3-5) and a control module 5 for
  • the determination module 3 has a temperature sensor 7 for determining a temperature of the fuel cell 2, a pressure sensor 8 for determining a pressure within the fuel cell 2, and an air mass flow sensor 9 for determining a
  • Air mass flow of fuel cell 2 an optional
  • Fuel mass flow sensor 10 for determining a fuel mass flow of the fuel cell 2
  • a moisture sensor 11 for determining a humidity of the fuel cell
  • Fuel cell 2 for example at an input or output of the
  • Fuel cell a voltmeter 12 for measuring an electrical
  • Fig. 2 shows a preferred embodiment of an inventive
  • Motor vehicle 15 schematically in a side view.
  • the motor vehicle 15 has an electric motor 16 which is designed to drive the motor vehicle 15.
  • the motor vehicle has a fuel cell system 14 according to the invention for providing electrical energy.
  • 3 to 5 show preferred signal reaction matrices for the signal types “droplet formation”, “drying out” and “insufficient media supply”.
  • the signal reaction matrices each have the operating state classes "low”, “medium” and “high”, which are listed in the column called “Range”.
  • the operating state spectra belonging to the operating state classes are listed in the "THD" column.
  • the signal reaction matrix is explained in more detail below using examples.
  • the signal reaction matrix from FIG. 3 relates to the formation of droplets within the Fuel cell 2. If, for example, the THDA shows that a value of
  • Operating state for droplet formation is 25%, the operating state class "low” is determined, since the operating state spectrum of this operating state class includes the operating states from 1 -30%.
  • the countermeasure designated with the number 1 and thus the highest hierarchical is an increase in temperature if the fuel cell has not yet reached a predetermined operating temperature.
  • Countermeasure is a reduction in moisture by increasing an exhaust gas mass flow flowing through a humidifier bypass.
  • the signal reaction matrix from FIG. 4 relates to the drying out of the fuel cell 2. If, for example, the TFIDA shows that a value of the operating state for drying out is 50%, the operating state class “medium” is determined, since the operating state spectrum of this operating state class has the operating states of 31-60%. includes.
  • the countermeasure designated with the number 1 and thus the highest hierarchical is a reduction in the exhaust gas mass flow flowing through the humidifier bypass. Thus, more moisture becomes the
  • the countermeasure designated by the number 2 and thus the second highest hierarchical measure is an increase in the current strength of the fuel cell 2.
  • the signal reaction matrix from FIG. 5 relates to an inadequate media supply to the fuel cell 2.
  • An inadequate media supply exists, for example, in the case of an inadequate air supply and / or an inadequate fuel or hydrogen supply. For example, if the THDA shows that an operating condition value for insufficient media supply is 65%, the
  • Operating state class "high” is determined because the operating state spectrum of this operating state class includes the operating states of over 60%.
  • the countermeasure designated by the number 1 and thus the highest hierarchical is a reduction in the current strength of the fuel cell 2.
  • FIG. 6 A preferred embodiment of a method according to the invention is shown in FIG. 6 in a flow chart.
  • the determination module 3 of the operating device 1 determines operating parameters of the
  • Fuel cell 2 This can be done for example by means of a temperature sensor 7 and / or pressure sensor 8 and / or air mass flow sensor 9 and / or Fuel mass flow sensor 10 and / or moisture sensor 11 and / or
  • Voltage meter 12 and / or current meter 13 take place.
  • the analysis module 4 of the operating device 1 determines operating states of the fuel cell 2 on the basis of the determined operating parameters by means of the THDA. Here, at least one operating state is determined.
  • Operating states are preferably determined for several, in particular all, available signal types, in particular droplet formation, drying out and inadequate supply of operating media.
  • the control module 5 of the operating device 1 compares the determined ones
  • control module 5 identifies a specific countermeasure for improving the operating state of the
  • Fuel cell 2 In an operating state with a THD value of 0% there is no malfunction of the fuel cell 2 for the respective signal type.
  • the control module 5 controls the fuel cell 2 on the basis of the identified countermeasure. That means the identified
  • the checking can also take place as a regulation of the fuel cell 2.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (2), aufweisend ein Ermittlungsmodul (3) zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2), ein Analysemodul (4) zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle (2) auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonie Distortion Analysis und ein Kontrollmodul (5) zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle (2). Die Betriebsvorrichtung (1) weist ein Speichermodul (6) zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix auf, wobei das Kontrollmodul (5) Reaktionsmittel aufweist für einen kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle (2) auf Basis eines ermittelten Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) und der Signalreaktionsmatrix. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (14) zur Bereitstellung elektrischer Energie, ein Kraftfahrzeug (15) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (14).

Description

Betriebsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aufweisend ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln von
Betriebsparametern der Brennstoffzelle, ein Analysemodul zum Ermitteln von
Betriebszuständen der Brennstoffzelle auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonie Distortion Analysis (THDA) und ein Kontrollmodul zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung ein
Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen mittels Sensoren Betriebsparameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Spannung, Stromstärke, Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck, gemessen werden. Verlässt ein Betriebsparameter einen vorgegebenen Betriebsparameterbereich, sodass eine Betriebssicherheit der Brennstoffzelle gefährdet ist, muss die Brennstoffzelle zumeist abgeschaltet oder zumindest heruntergeregelt werden.
Aus der EP 2 845 255 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung kritischer
Betriebszustände an einem Brennstoffzellen Stack bekannt. Mittels einer
sogenannten„Total Harmonie Distortion Analysis“ (THDA) werden unterschiedlichen Betriebsparametern Verzerrungswerte zugeordnet, wobei die Verzerrungswerte mit steigender Abweichung vom jeweiligen SOLL-Betriebsparameter steigen. Ein relativ großer Verzerrungswert entspricht somit einer relativ großen Abweichung. Die DE 10 2015 213 532 A1 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erkennung der Verunreinigung eines Filters einer Brennstoffzelle und insbesondere Techniken zur Bestimmung, ob ein Filter auszutauschen ist, wenn eine Verunreinigung einer Brennstoffzelle erkannt worden ist. Die Erkennung der Verunreinigung erfolgt mittels einer THDA, indem ein berechneter TH D mit einem vorgegebenen THD-Grenzwert verglichen wird. Bei Überschreiten des THD-Grenzwerts wird von einem
verunreinigten Filter ausgegangen, welcher ausgetauscht werden muss. Die
EP 3 038 199 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Temperatursensor zum Messen einer Temperatur der Brennstoffzelle und einer Steuerungsvorrichtung zum Veranlassen der Brennstoffzelle, eine Wasserbilanz zu erhöhen, wenn die gemessene Temperatur einen
Temperaturschwellwert übersteigt. Hierdurch wird ein Absenken der Temperatur bewirkt. Überdies weist das Brennstoffzellensystem ein Impedanzmessgerät zum Messen einer Impedanz der Brennstoffzelle auf, wobei die Steuerungsvorrichtung ausgebildet ist, die Erhöhung der Wasserbilanz in Abhängigkeit von der gemessenen Impedanz durchzuführen, wenn die gemessene Impedanz einen
Impedanzschwellwert erreicht oder unterschreitet.
Bekannte Brennstoffzellensysteme sowie Verfahren zum Betreiben von
Brennstoffzellen haben den Nachteil, dass im Wesentlichen lediglich eine Ermittlung des„State of Operation“ (SOO) der Brennstoffzelle durchgeführt wird. Im Falle eines Überschreitens eines Betriebsparametergrenzwerts muss die Brennstoffzelle zumeist heruntergefahren werden.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, der voranstehend
beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem, ein Kraftfahrzeug sowie ein
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise einen Betrieb der Brennstoffzelle verbessern und eine zwangsweise Abschaltung der Brennstoffzelle zumindest teilweise verhindern.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 , das Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie gemäß Anspruch 8, das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 sowie das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug sowie dem
erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle gelöst. Die
Betriebsvorrichtung weist ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln von
Betriebsparametern der Brennstoffzelle, ein Analysemodul zum Ermitteln von
Betriebszuständen der Brennstoffzelle auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonie Distortion Analysis (THDA) und ein Kontrollmodul zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle auf. Erfindungsgemäß weist die
Betriebsvorrichtung ein Speichermodul zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix auf, wobei das Kontrollmodul Reaktionsmittel aufweist für einen kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle auf Basis eines ermittelten
Betriebszustands der Brennstoffzelle und der Signalreaktionsmatrix.
Die Reaktionsmittel sind insbesondere Mittel zur Reduzierung des elektrischen Stroms, zur Erhöhung des Anodenmassenstroms und/oder zur Erhöhung des Zelldrucks der Brennstoffzelle und stellen folglich spezifische Gegenmaßnahmen zur Verfügung. Unter Reaktionsmitteln im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere elektrische Bauteile verstanden, welche als Teil des Kontrollmoduls die gewünschten Gegenmaßnahmen in elektrischer Weise durchführen oder zumindest teilweise durchführen können. Dabei können diese Kontrollmittel auch mit weiteren elektrischen Bauteilen außerhalb des Kontrollmoduls Zusammenwirken.
Mittels der Betriebsvorrichtung ist die Brennstoffzelle betreibbar. Das bedeutet, dass Betriebsparameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise ein
Wasserstoffmassenstrom, ein Luftmassenstrom oder dergleichen, mittels der
Betriebsvorrichtung gezielt beeinflussbar sind. Die Betriebsvorrichtung kann beispielsweise zum Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Mit der THDA werden aktuelle Betriebszustände wie beispielsweise eine Trockenheit des Brennstoffzellenstapels, Tröpfchenbildung, unzureichende Gasversorgung aus diesen Betriebsparametern ermittelt. Betriebszustände beeinflussen eine
Betriebsstrategie eines Brennstoffzellensystems. Beispielsweise wird bei geringer Tröpfchenbildung in einem ersten Schritt eine Soll-Temperatur des
Brennstoffzellenstapels erhöht und ein Soll-Feuchtewert des Brennstoffzellenstapels gesenkt. Um THDA durchführen zu können umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest einen Spannungssensor und/oder zumindest einen Stromsensor.
Weiter wird die THDA im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere dazu verwendet die von dem Ermittlungsmodul ermittelten Betriebsparameter zu analysieren und/oder weiterzuverarbeiten. Vorzugsweise erfolgt dabei eine quantitative Analyse der Anteile des ermittelten Signals, welche zu einer
nichtlinearen Verzerrung des Signals führen. Mit anderen Worten dient die THDA dazu die ermittelten Betriebsparameter hinsichtlich der THD (Total Harmonie
Distortion) zu analysieren und ein entsprechendes Analyseergebnis auszugeben. Dieses Analyseergebnis kann direkt der Betriebszustand sein oder als Basis für eine weitere Ermittlung des Betriebszustands verwendet werden.
Das Ermittlungsmodul weist zum Ermitteln der Betriebsparameter der Brennstoffzelle vorzugsweise einen oder mehrere Sensoren und/oder eine oder mehrere
Messvorrichtungen auf. Bevorzugte Sensoren sind ein Temperatursensor zum Messen einer Temperatur an und/oder in der Brennstoffzelle, ein Drucksensor zum Messen eines Drucks vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle, ein Feuchtesensor zum Messen einer Feuchte an und/oder in der Brennstoffzelle, insbesondere an einer Membran der Brennstoffzelle, einem Eingang der
Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks, einem Ausgang der
Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks, oder dergleichen. Bevorzugte Messvorrichtungen sind beispielsweise ein Spannungsmesser zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle, ein Strommesser zum Messen eines elektrischen Stroms der Brennstoffzelle oder dergleichen. Das Ermittlungsmodul ist zudem ausgebildet, die vom Ermittlungsmodul ermittelten Betriebsparameter dem Analysemodul bereitzustellen.
Ein Spannungsmesser und/oder ein Strommesser ist notwendig, um die THD- Analyse durchführen zu können. Die oben angeführten anderen Sensoren dienen bevorzugt nur als Referenzwert für die Regelung bzw. für den kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle auf Basis eines ermittelten
Betriebszustands.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn die Betriebsvorrichtung einen (durch die THDA modifizierten) Sollwert für Druck, Luft Massenstrom, Temperatur, Feucht vorgegeben und unter Einbeziehung von aktuellen Messwerten ein Stellsignal für Aktuatoren liefert.
Im Rahmen der Erfindung ist unter einem Brennstoffzellenstack ein
Brennstoffzellenstapel zu verstehen, welcher mehrere miteinander verbundene und/oder verschaltete Brennstoffzellen aufweist.
Das Analysemodul ist zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle ausgebildet. Unter einem Betriebszustand der Brennstoffzelle wird im Rahmen der Erfindung der Betrag einer Abweichung von einem SOLL-Betriebswert verstanden. Ein hoher Wert eines Betriebszustands bedeutet demnach eine hohe Abweichung vom SOLL-Betriebswert. Hierfür ist das Analysemodul ausgebildet, ausgehend von den ermittelten Betriebsparametern eine Total Harmonie Distortion Analysis (THDA) durchzuführen. Das Resultat der THDA sind die Betriebszustände der
Brennstoffzelle.
Das Speichermodul ist zum Speichern der Signalreaktionsmatrix ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Signalreaktionsmatrix bereits im Speichermodul gespeichert. Die Signalreaktionsmatrix kann dabei vollständig oder teilweise insbesondere in einem irreversiblen Speicherabschnitt des Speichermoduls fest und unveränderbar hinterlegt sein. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Vergleichs weisen das Speichermodul und das Vergleichsmodul jeweils eine entsprechende Schnittstelle auf, um den Vergleich durchzuführen. Die Signalreaktionsmatrix ist eine Matrix, in welcher für mindestens einen ermittelten Betriebszustand mindestens eine
spezifische Gegenmaßnahme festgelegt ist. Die spezifischen Gegenmaßnahmen sind vorzugsweise derart festgelegt, dass diese zum Verbessern des jeweiligen Betriebszustands geeignet sind. Unter einem Verbessern des Betriebszustands wird auch ein Reduzieren des Werts des Betriebszustands verstanden. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Signalreaktionsmatrix um eine komplexe
Datenstruktur, welche nicht nur Daten in strukturierter Weise zur Verfügung stellt, sondern über die beschriebenen Schnittstellen mit dem Speichermodul und dem Vergleichsmodul zusammenarbeitet.
Das Kontrollmodul ist zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle ausgebildet. Ferner ist das Kontrollmodul ausgebildet, die ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix zu vergleichen und somit in der Signalreaktionsmatrix festgelegte spezifische Gegenmaßnahmen, welche in der Signalreaktionsmatrix dem jeweiligen Betriebszustand zugeordnet sind, zu identifizieren. Vorzugsweise sind die spezifischen Gegenmaßnahmen mittels des Kontrollmoduls durchführbar.
Die Betriebsvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, die Brennstoffzelle
automatisch zu betreiben, sodass das Ermitteln der Betriebsparameter, das Ermitteln der Betriebszustände, das Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle, die
Identifizierung sowie die Durchführung der geeigneten spezifischen
Gegenmaßnahmen automatisch durchführbar sind. Somit ist die Betriebsvorrichtung ausgebildet, auf Abweichungen der Betriebsparameter fortlaufend zu reagieren, um diese Abweichungen zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle hat gegenüber herkömmlichen Betriebsvorrichtungen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter
Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle
verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Mittels der erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung ist somit eine schnelle Reaktion auf
Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw.
robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einer
Betriebsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Signalreaktionsmatrix mindestens eine Signalart mit jeweils mehreren Betriebszustandsklassen aufweist, wobei den Betriebszustandsklassen jeweils unterschiedliche Betriebszustandsspektren der Total Harmonie Distortion Analysis zugeordnet sind, und wobei den einzelnen Betriebszustandsklassen jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Unter einer Signalart wird im Rahmen der Erfindung ein Fehlerzustand der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Tröpfchenbildung, Austrocknung, unzureichende Medienzufuhr oder dergleichen, verstanden. Das Vorliegen einer Signalart ist über Parameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Temperatur, elektrische Spannung bzw.
elektrischer Strom, Druck, Feuchtigkeit oder dergleichen, ermittelbar. Vorzugsweise sind diese Parameter in der Singalreaktionsmatrix aufgeführt und den Signalarten zugeordnet. Die Betriebszustandsklassen einer Signalart decken jeweils ein Betriebszustandsspektrum ab, wobei die Betriebszustandsspektren vorzugsweise keine Überschneidungen aufweisen. Bevorzugte Betriebszustandsspektren erstrecken sich von 1 -30%, 31-60% sowie 61 -100% THD. Ein konkreter
Betriebszustand ist somit höchstens einer Betriebszustandsklasse zuordenbar.
Weiter bevorzugt sind die verschiedenen Betriebszustandsspektren kontinuierlich sowie miteinander stetig ausgebildet, sodass ein konkreter Betriebszustand somit einer Betriebszustandsklasse eindeutig zuordenbar ist. Den Betriebszustandsklassen ist jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Betriebsvorrichtung mit einfachen Mitteln sowie auf eine
kostengünstige Art und Weise ausgebildet ist, auf Basis eines ermittelten
Betriebszustands eine besonders geeignete Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands zu identifizieren sowie durchzuführen.
Es ist bevorzugt, dass in der Signalreaktionsmatrix die spezifischen
Gegenmaßnahmen unterschiedliche Intensitäten aufweisen, wobei die spezifischen Gegenmaßnahmen den Betriebszustandsklassen derart zugeordnet sind, dass die Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer höheren Betriebszustandsklasse größer oder gleich der Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer
niedrigeren Betriebszustandsklasse ist. Die spezifischen Gegenmaßnahmen sind demnach derart in der Signalreaktionsmatrix aufgeführt, dass bei verhältnismäßig geringen Abweichungen der Betriebsparameter von SOLL-Betriebsparametern entsprechende spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, welche einen verhältnismäßig geringen Einfluss auf die Veränderung des jeweiligen
Betriebsparameters haben. Bei größeren Abweichungen der Betriebsparameter von SOLL-Betriebsparametern sind entsprechende spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar, welche einen verhältnismäßig großen Einfluss auf die Veränderung des jeweiligen Betriebsparameters haben. Dies hat den Vorteil, dass eine
Überkorrektur der Brennstoffzelle vermeidbar ist. Unter einer Überkorrektur wird im Rahmen der Erfindung insbesondere die Durchführung einer Gegenmaßnahme verstanden, welche zunächst eine Verbesserung bis zum Optimalzustand bewirkt und anschließend eine übermäßige Verschlechterung des Betriebsparameters über den Optimalzustand hinweg bewirkt. Bei der Detektion einer zu hohen Feuchtigkeit kann als Gegenmaßnahme beispielsweise Wasser über einen Befeuchter-Bypass an einem Befeuchter vorbeigeführt und somit der Brennstoffzelle abgeführt werden.
Wird zu viel Wasser abgeführt, besteht das Risiko eines Austrocknens der Brennstoffzelle. Mittels einer derartigen Signalreaktionsmatrix ist auf vorteilhafte Weise stets eine verhältnismäßig moderate sowie dem Betriebszustand
angemessene Gegenmaßnahme identifizierbar.
Weiter bevorzugt weist die Signalreaktionsmatrix für mindestens eine
Betriebszustandsklasse mehrere unterschiedliche spezifische Gegenmaßnahmen auf. Auf diese Weise wird der Tatsache Rechnung getragen, dass verschiedene spezifische Gegenmaßnahmen geeignet sein können, um einen Betriebszustand zu verbessern. Bei einer zu feuchten Brennstoffzelle können zum Trocknen
beispielsweise Wasser über einen Befeuchter-Bypass an einem Befeuchter vorbeigeführt und somit der Brennstoffzelle abgeführt werden. Zudem kann die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht werden. Dies hat den Vorteil, dass ein
Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise optimierbar ist.
Vorzugsweise sind die unterschiedlichen spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse in der Signalreaktionsmatrix hierarchisch gegliedert. Auf Basis der hierarchischen Gliederung sind die spezifischen Gegenmaßnahmen sukzessive auswählbar und durchführbar. Sollte sich die Betriebszustandsklasse nach Durchführen einer am höchsten hierarchisierten spezifischen Gegenmaßnahme nicht verbessern, kann somit die in der Hierarchie folgende spezifische
Gegenmaßnahme ausgewählt und durchgeführt werden, usw. Die
Betriebsvorrichtung ist somit ausgebildet, auf unerwartete Ereignisse, wie
beispielsweise eine zu geringe Verbesserung des Betriebszustands als Folge der Durchführung einer spezifischen Gegenmaßnahme, entsprechend zu reagieren, um den Betriebszustand der Brennstoffzelle stets auf eine moderate Weise zu
verbessern.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die mindestens eine Signalart eine Tröpfchenbildung innerhalb der Brennstoffzelle und/oder ein Austrocknen einer Membran der Brennstoffzelle und/oder eine unzureichende Luftzufuhr der
Brennstoffzelle und/oder eine unzureichende Brennstoffzufuhr der Brennstoffzelle umfasst. Erfindungsgemäß können eine unzureichende Luftzufuhr und eine unzureichende Brennstoffzufuhr auch als unzureichende Betriebsmittelzufuhr zusammengefasst werden. Hierbei ist eine einzelne Erfassung von Luftmassenstrom und Brennstoffmassenstrom, insbesondere Wasserstoffmassenstrom, nicht erforderlich. Diese Signalarten sind für den Betrieb der Brennstoffzelle wesentlich und stellen daher in einem Störfall der Brennstoffzelle die wichtigsten zu
kontrollierenden Signalarten dar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Ermittlungsmodul einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle, insbesondere vor, in und/oder hinter der Brennstoffzelle, und/oder einen Drucksensor zum Ermitteln eines Drucks der Brennstoffzelle, insbesondere vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle, und/oder einen Luftmassenstromsensor zum Ermitteln eines Luftmassenstroms der Brennstoffzelle und/oder einen
Brennstoffmassenstromsensor zum Ermitteln eines Brennstoffmassenstroms der Brennstoffzelle und/oder einen Feuchtesensor zum Ermitteln einer Feuchte, insbesondere einer Membran, im Inneren der Brennstoffzelle und/oder einen
Spannungsmesser zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle und/oder einen Strommesser zum Messen einer elektrischen Stromstärke der Brennstoffzelle auf. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der
Brennstoffmassenstromsensor zum Ermitteln eines der Brennstoffzelle zugeführten Betriebsmittelmassenstroms ausgebildet ist, wobei der Betriebsmittelmassenstrom Luft bzw. Sauerstoff und Brennstoff bzw. Wasserstoff aufweist. Der Feuchtesensor ist vorzugsweise zum Messen der Feuchte am Brennstoffzellenstackeingang und/oder innerhalb der Brennstoffzelle und/oder am Brennstoffzellenstackausgang ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ können auch Luftvolumenstromsensoren sowie Brennstoffvolumenstromsensoren verwendet werden. Mittels derartiger Sensoren sind die wesentlichen Betriebsparameter der Brennstoffzelle ermittelbar bzw. messbar.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein
Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie gelöst. Das
Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und eine erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung zum Betreiben der Brennstoffzelle auf. Die Brennstoffzelle ist vorzugsweise gemäß einer herkömmlichen Brennstoffzelle mit einer Membran, einer Anode, einer Kathode, einer Brennstoffzufuhr, einer Sauerstoffzufuhr sowie einer Wasserabfuhr ausgebildet. Die Wasserabfuhr ist beispielsweise über einen
Kathodenpfad und/oder Anodenpfad der Brennstoffzelle realisiert. Es ist bevorzugt, dass das Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem zum Kühlen der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks aufweist. Vorzugsweise weist das
Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen auf, welche vorzugsweise zu einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks zusammengefasst sind. Hierbei ist es bevorzugt, dass eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben mehrerer Brennstoffzellen bzw. eines oder mehrerer Brennstoffzellenstacks ausgebildet und eingerichtet ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem mehrere erfindungsgemäße Betriebsvorrichtungen aufweist, welche jeweils zum Betreiben einer oder mehrerer Brennstoffzellen ausgebildet und eingerichtet sind.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische
Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist somit eine schnelle Reaktion auf Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw. robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das
Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, gelöst. Vorzugsweise weist das
Kraftfahrzeug mindestens eine Batterie zum Speichern bzw. Zwischenspeichern der von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellten elektrischen Energie auf.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung sowie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der Betriebszustände reduzierbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist somit eine schnelle Reaktion auf
Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw.
robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle mittels des
Ermittlungsmoduls der Betriebsvorrichtung,
- Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle mittels des Analysemoduls der Betriebsvorrichtung auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels der Total Harmonie Distortion Analysis,
- Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit einer in dem Speichermodul gespeicherten Signalreaktionsmatrix zum Identifizieren einer spezifischen Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands mittels des
Kontrollmoduls, und
- Kontrollieren der Brennstoffzelle auf Basis der identifizierten Gegenmaßnahme mittels des Kontrollmoduls.
Das Ermitteln der Betriebsparameter erfolgt beispielsweise mittels mindestens eines Sensors des Ermittlungsmoduls. Als Betriebsparameter werden beispielsweise eine Messung einer Temperatur der Brennstoffzelle mittels eines Temperatursensors, ein Messen eines Drucks vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle mittels eines Drucksensors, ein Messen einer Feuchte vor und/oder in und/oder hinter der Brennstoffzelle, insbesondere an einer Membran der Brennstoffzelle, mittels eines Feuchtesensors, ein Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle mittels eines Spannungsmessers oder ein Messen eines elektrischen Stroms der
Brennstoffzelle mittels eines Strommessers verwendet. Die ermittelten
Betriebsparameter werden vom Ermittlungsmodul dem Analysemodul bereitgestellt. Das Ermitteln der Betriebszustände der Brennstoffzelle erfolgt mittels des Analysemodus. Unter einem Betriebszustand der Brennstoffzelle wird im Rahmen der Erfindung der Betrag einer Abweichung von einem SOLL-Betriebswert verstanden. Ein hoher Wert eines Betriebszustands bedeutet demnach eine hohe Abweichung vom SOLL-Betriebswert. Im Rahmen der Ermittlung der
Betriebszustände führt das Analysemodul ausgehend von den ermittelten
Betriebsparametern eine Total Harmonie Distortion Analysis (THDA) durch. Das Resultat der THDA sind die Betriebszustände der Brennstoffzelle.
Das Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix erfolgt mittels des Kontrollmoduls. Auf diese Weise werden in der
Signalreaktionsmatrix festgelegte spezifische Gegenmaßnahmen, welche in der Signalreaktionsmatrix dem jeweiligen Betriebszustand zugeordnet sind, identifiziert.
Unter Berücksichtigung der identifizierten spezifischen Gegenmaßnahme kontrolliert das Kontrollmodul im Anschluss die Brennstoffzelle. Hierbei wird die identifizierte Gegenmaßnahme durchgeführt. Es kann vorgesehen sein, dass das Kontrollmodul die Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der identifizierten spezifischen
Gegenmaßnahme regelt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise iterativ durchgeführt, um eine kontinuierliche Verbesserung des Betriebszustands sowie eine schnelle Reaktion auf eine Verschlechterung des Betriebszustands zu erzielen.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber
herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise auf Basis ermittelter Betriebszustände der
Brennstoffzelle konkrete spezifische Gegenmaßnahmen identifizierbar sind, mittels derer die Betriebszustände der Brennstoffzelle verbesserbar bzw. Werte der
Betriebszustände reduzierbar sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit eine schnelle Reaktion auf Schwankungen von Betriebsparametern erzielbar und somit ein längerer bzw. robusterer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistbar.
Es ist bevorzugt, dass beim Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix mindestens ein ermittelter Betriebszustand einer in der Signal- reaktionsmatrix definierten Betriebszustandsklasse zugeordnet wird, wobei die spezi fische Gegenmaßnahme identifiziert wird, welche in der Signalreaktionsmatrix der selben Betriebszustandsklasse zugeordnet ist. Die Signalreaktionsmatrix weist min destens eine Signalart mit jeweils mehreren Betriebszustandsklassen auf, wobei den Betriebszustandsklassen jeweils unterschiedliche Betriebszustandsspektren der To tal Harmonie Distortion Analysis zugeordnet sind, und wobei den einzelnen Betriebs zustandsklassen jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zum Ver bessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle zugeordnet ist. Unter einer Sig nalart wird im Rahmen der Erfindung ein Parameter der Brennstoffzelle, wie bei spielsweise Temperatur, Spannung, Druck, Feuchtigkeit oder dergleichen, verstan den. Die Betriebszustandsklassen einer Signalart decken jeweils ein Betriebszu standsspektrum ab, wobei die Betriebszustandsspektren vorzugsweise keine Über schneidungen aufweisen. Ein konkreter Betriebszustand ist somit höchstens einer Betriebszustandsklasse zuordenbar. Weiter bevorzugt sind die verschiedenen Be triebszustandsspektren kontinuierlich sowie miteinander stetig ausgebildet, sodass ein konkreter Betriebszustand somit einer Betriebszustandsklasse eindeutig zuord enbar ist. Den Betriebszustandsklassen ist jeweils mindestens eine spezifische Ge genmaßnahme zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass auf Basis des ermittelten Be triebszustands eine besonders geeignete Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands identifiziert und vorzugsweise auch durchgeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein wiederholtes Ermit teln des Betriebszustands der Brennstoffzelle mittels des Analysemoduls, wobei in dem Fall, dass der ermittelte Betriebszustand durch die spezifische Gegenmaßnah me keine vorbestimmte minimale Verbesserung aufweist, eine Intensität der Gegen maßnahme verstärkt wird. Das Verfahren wird demnach vorzugsweise fortlaufend während des Betriebs der Brennstoffzelle durchgeführt. In Abhängigkeit eines Grads einer Reaktion des Betriebszustands auf die zunächst durchgeführte spezifische Ge genmaßnahme ist bestimmbar, ob die aktuelle Intensität dieser Gegenmaßnahme geeignet ist, den Betriebszustand ausreichend zu verbessern. Wird festgestellt, dass der Grad der Reaktion zu gering ist, die vorbestimmte minimale Verbesserung also nicht erreicht wird, wird die Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme erhöht, um somit eine größere Verbesserung des Betriebszustands der Brennstoffzelle zu be wirken. Wenn als Gegenmaßnahme beispielsweise eine Temperatur erhöht wird, dann bedeutet eine Erhöhung der Intensität der Gegenmaßnahme eine weitere Er- höhung der Temperatur. Beim Kühlen bedeutet eine Erhöhung der Intensität eine verstärkte Kühlung. Dies hat den Vorteil, dass die Auswirkungen der Gegenmaß nahmen überwacht und bei unzureichender Verbesserung des Betriebszustands die Gegenmaßnahmen mit höherer Intensität durchgeführt werden.
Vorzugsweise werden die spezifischen Gegenmaßnahmen gemäß einer Hierarchie zwischen mehreren spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszu standsklasse ausgewählt, wobei zunächst die am höchsten priorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt und bei einer zu geringen Verbesserung des Be triebszustands die nächstpriorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Verfahren iterativ durchgeführt wird. Wenn eine durchgeführte spezifische Gegenmaßnahme beispielsweise bereits mit höchster Intensität durchgeführt wird und die Verbesserung des Betriebszustands zu gering ist, wird somit eine zusätzliche Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszu stands identifiziert und durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass eine Verbesserung des Betriebszustands mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise besser erzielbar ist.
Weiter bevorzugt werden sämtliche spezifische Gegenmaßnahmen einer Betriebszu standsklasse gemäß ihrer Hierarchisierung solange sukzessive durchgeführt, bis der Betriebszustand einen vordefinierten Betriebszustandsschwellwert erreicht. Es ist er findungsgemäß bevorzugt, dass nach dem Initiieren einer ersten Gegenmaßnahme, welche die höchste Hierarchiestufe aufweist, eine Reaktionszeitspanne bis zum Initi ieren einer zweiten Gegenmaßnahme, welche die nächsthöhere Hierarchiestufe auf weist, definiert ist, um zunächst eine Reaktion der Brennstoffzelle auf die erste Ge genmaßnahme abzuwarten. Demnach wird zunächst die erste Gegenmaßnahme ausgeführt und analysiert, ob der vordefinierte Betriebszustandsschwellwert nach Ablauf der Reaktionszeitspanne bereits erreicht wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die zweite Gegenmaßnahme initiiert, usw. Dabei kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die Gegenmaßnahmen zumindest teilweise parallel durchge führt werden. Die erste Gegenmaßnahme kann beispielsweise auch nach Initiieren der zweiten Gegenmaßnahme fortgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass mit ein fachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein effizientes Verbes sern des Betriebszustands der Brennstoffzelle gewährleistet ist. Es ist bevorzugt, dass als spezifische Gegenmaßnahme bei zu hoher Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht, das Abführen feuch ter Luft über einen Befeuchter-Bypass erhöht, ein Druck in der Brennstoffzelle abge senkt oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle gesenkt wird, und/oder dass bei zu geringer Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle eine Temperatur der Brennstoffzelle ge senkt, das Abführen feuchter Luft über den Befeuchter-Bypass reduziert, ein Druck in der Brennstoffzelle erhöht oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle erhöht wird. Vorzugsweise wird bei zu hoher Feuchtigkeit zusätzlich oder alternativ ein Betriebs mittelmassenstrom erhöht. Diese spezifischen Gegenmaßnahmen sind besonders geeignet, um die jeweiligen Betriebszustände zu verbessern.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Kraftfahrzeugs,
Figur 3 eine bevorzugte Signalreaktionsmatrix für die Signalart
„Tröpfchenbildung“,
Figur 4 eine bevorzugte Signalreaktionsmatrix für die Signalart„Austrocknen“,
Figur 5 eine bevorzugte Signalreaktionsmatrix für die Signalart„unzureichende
Medienzufuhr“, und
Figur 6 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 14 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 14 weist eine Brennstoffzelle 2 zum Erzeugen von elektrischem Strom sowie eine Betriebsvorrichtung 1 zum Betreiben der Brennstoffzelle 2 auf. Die
Betriebsvorrichtung 1 weist ein Ermittlungsmodul 3 zum Ermitteln von
Betriebsparametern der Brennstoffzelle 2, ein Analysemodul 4 zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle 2 auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonie Distortion Analysis, ein Speichermodul 6 zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix (vgl. Fig. 3 - 5) und ein Kontrollmodul 5 zum
Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle 2 sowie zu einem kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle 2 auf Basis eines ermittelten
Betriebszustands der Brennstoffzelle 2 und der Signalreaktionsmatrix auf. Das Ermittlungsmodul 3 weist einen Temperatursensor 7 zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle 2, einen Drucksensor 8 zum Ermitteln eines Drucks innerhalb der Brennstoffzelle 2, einen Luftmassenstromsensor 9 zum Ermitteln eines
Luftmassenstroms der Brennstoffzelle 2, einen optionalen
Brennstoffmassenstromsensor 10 zum Ermitteln eines Brennstoffmassenstroms der Brennstoffzelle 2, einen Feuchtesensor 11 zum Ermitteln einer Feuchte der
Brennstoffzelle 2, beispielsweise an einem Eingang oder Ausgang der
Brennstoffzelle, einen Spannungsmesser 12 zum Messen einer elektrischen
Spannung der Brennstoffzelle 2 sowie einen Strommesser 13 zum Messen einer elektrischen Stromstärke der Brennstoffzelle auf.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kraftfahrzeugs 15 schematisch in einer Seitenansicht. Das Kraftfahrzeug 15 weist einen Elektromotor 16 auf, welcher zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 15 ausgebildet ist. Ferner weist das Kraftfahrzeug ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 14 zum Bereitstellen elektrischer Energie auf.
In Fig. 3 bis Fig. 5 sind bevorzugte Signalreaktionsmatrizen für die Signalarten „Tröpfchenbildung“,„Austrocknen“ und„unzureichende Medienzufuhr“ abgebildet.
Die Signalreaktionsmatrizen weisen jeweils die Betriebszustandsklassen„low“, „medium“ und„high“ auf, welche in der als„Range“ bezeichneten Spalte aufgeführt sind. Zu den Betriebszustandsklassen zugehörige Betriebszustandsspektren sind in der Spalte„THD“ aufgelistet.
Im Folgenden wird die Signalreaktionsmatrix an Beispielen näher erläutert. Die Signalreaktionsmatrix aus Fig. 3 betrifft die Tröpfchenbildung innerhalb der Brennstoffzelle 2. Wenn die THDA beispielsweise ergibt, dass ein Wert des
Betriebszustands für Tröpfchenbildung 25% beträgt, wird die Betriebszustandsklasse „low“ bestimmt, da das Betriebszustandsspektrum dieser Betriebszustandsklasse die Betriebszustände von 1 -30% umfasst. Die mit der Ziffer 1 bezeichnete und somit am höchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Erhöhung der Temperatur, sofern die Brennstoffzelle eine vorgegebene Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Die mit der Ziffer 2 bezeichnete und somit am zweithöchsten hierarchisierte
Gegenmaßnahme ist eine Reduzierung der Feuchtigkeit durch Erhöhen eines durch einen Befeuchter-Bypass strömenden Abgasmassenstroms.
Die Signalreaktionsmatrix aus Fig. 4 betrifft das Austrocknen der Brennstoffzelle 2. Wenn die TFIDA beispielsweise ergibt, dass ein Wert des Betriebszustands für Austrocknen 50% beträgt, wird die Betriebszustandsklasse„medium“ bestimmt, da das Betriebszustandsspektrum dieser Betriebszustandsklasse die Betriebszustände von 31-60% umfasst. Die mit der Ziffer 1 bezeichnete und somit am höchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Reduzierung des durch den Befeuchter- Bypass strömenden Abgasmassenstroms. Somit wird mehr Feuchtigkeit der
Brennstoffzelle 2 zurückgeführt. Die mit der Ziffer 2 bezeichnete und somit am zweithöchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Erhöhung der Stromstärke der Brennstoffzelle 2.
Die Signalreaktionsmatrix aus Fig. 5 betrifft eine unzureichende Medienzufuhr der Brennstoffzelle 2. Eine unzureichende Medienzufuhr besteht beispielsweise bei einer unzureichenden Luftversorgung und/oder einer unzureichenden Brennstoff- bzw. Wasserstoffversorgung. Wenn die THDA beispielsweise ergibt, dass ein Wert des Betriebszustands für unzureichende Medienzufuhr 65% beträgt, wird die
Betriebszustandsklasse„high“ bestimmt, da das Betriebszustandsspektrum dieser Betriebszustandsklasse die Betriebszustände von über 60% umfasst. Die mit der Ziffer 1 bezeichnete und somit am höchsten hierarchisierte Gegenmaßnahme ist eine Reduzierung der Stromstärke der Brennstoffzelle 2.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 6 in einem Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 100 ermittelt das Ermittlungsmodul 3 der Betriebsvorrichtung 1 Betriebsparameter der
Brennstoffzelle 2. Dies kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors 7 und/oder Drucksensors 8 und/oder Luftmassenstromsensors 9 und/oder Brennstoffmassenstromsensors 10 und/oder Feuchtesensors 11 und/oder
Spannungsmessers 12 und/oder Strommessers 13 erfolgen. In einem zweiten Verfahrensschritt 200 ermittelt das Analysemodul 4 der Betriebsvorrichtung 1 auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels der THDA Betriebszustände der Brennstoffzelle 2. Hierbei wird mindestens ein Betriebszustand ermittelt.
Vorzugsweise werden Betriebszustände für mehrere, insbesondere sämtliche verfügbare, Signalarten, insbesondere Tröpfchenbildung, Austrocknen und unzureichende Betriebsmittelzufuhr, ermittelt. In einem dritten Verfahrensschritt 300 vergleicht das Kontrollmodul 5 der Betriebsvorrichtung 1 die ermittelten
Betriebszustände mit einer in dem Speichermodul 6 gespeicherten
Signalreaktionsmatrix. Auf diese Weise identifiziert das Kontrollmodul 5 eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands der
Brennstoffzelle 2. Bei einem Betriebszustand mit einem THD-Wert von 0% liegt keine Betriebsstörung der Brennstoffzelle 2 für die jeweilige Signalart vor. In einem vierten Verfahrensschritt 400 kontrolliert das Kontrollmodul 5 die Brennstoffzelle 2 auf Basis der identifizierten Gegenmaßnahme. Das bedeutet, dass die identifizierte
Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands durchgeführt wird. Das Kontrollieren kann auch als Regeln der Brennstoffzelle 2 erfolgen.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1 Betriebsvorrichtung
2 Brennstoffzelle
3 Ermittlungsmodul
4 Analysemodul
5 Kontrollmodul
6 Speichermodul
7 Temperatursensor
8 Drucksensor
9 Luftmassenstromsensor
10 Brennstoffmassenstromsensor
11 Feuchtesensor
12 Spannungsmesser
13 Strommesser
14 Brennstoffzellensystem
15 Kraftfahrzeug
16 Elektromotor
100 erster Verfahrensschritt
200 zweiter Verfahrensschritt 300 dritter Verfahrensschritt
400 vierter Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Betriebsvorrichtung (1 ) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (2), aufweisend ein Ermittlungsmodul (3) zum Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2), ein Analysemodul (4) zum Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle (2) auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels einer Total Harmonie Distortion Analysis und ein Kontrollmodul (5) zum Kontrollieren des Betriebs der Brennstoffzelle (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebsvorrichtung (1 ) ein Speichermodul (6) zum Speichern einer Signalreaktionsmatrix aufweist, wobei das Kontrollmodul (5) Reaktionsmittel aufweist für einen kontrollierenden Eingriff in den Betrieb der Brennstoffzelle (2) auf Basis eines ermittelten Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) und der Signalreaktionsmatrix.
2. Betriebsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Signalreaktionsmatrix mindestens eine Signalart mit jeweils mehreren Betriebszustandsklassen aufweist, wobei den Betriebszustandsklassen jeweils unterschiedliche Betriebszustandsspektren der Total Harmonie Distortion Analysis zugeordnet sind, und wobei den einzelnen Betriebszustandsklassen jeweils mindestens eine spezifische Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) zugeordnet ist.
3. Betriebsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Signalreaktionsmatrix die spezifischen Gegenmaßnahmen unterschiedliche Intensitäten aufweisen, wobei die spezifischen Gegenmaßnahmen den Betriebszustandsklassen derart zugeordnet sind, dass die Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer höheren Betriebszustandsklasse größer oder gleich der Intensität der spezifischen Gegenmaßnahme einer niedrigeren Betriebszustandsklasse ist.
4. Betriebsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Signalreaktionsmatrix für mindestens eine Betriebszustandsklasse mehrere unterschiedliche spezifische Gegenmaßnahmen aufweist.
5. Betriebsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die unterschiedlichen spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse in der Signalreaktionsmatrix hierarchisch gegliedert sind.
6. Betriebsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die mindestens eine Signalart eine Tröpfchenbildung innerhalb der Brennstoffzelle (2) und/oder ein Austrocknen einer Membran der Brennstoffzelle (2) und/oder eine unzureichende Luftzufuhr der Brennstoffzelle (2) und/oder eine unzureichende Brennstoffzufuhr der Brennstoffzelle (2) umfasst.
7. Betriebsvorrichtung (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Ermittlungsmodul (3) einen Temperatursensor (7) zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Drucksensor (8) zum Ermitteln eines Drucks der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Luftmassenstromsensor (9) zum Ermitteln eines Luftmassenstroms der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Brennstoffmassenstromsensor (10) zum Ermitteln eines Brennstoffmassenstroms der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Feuchtesensor (11 ) zum Ermitteln einer Feuchte innerhalb der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Spannungsmesser (12) zum Messen einer elektrischen Spannung der Brennstoffzelle (2) und/oder einen Strommesser (13) zum Messen einer elektrischen Stromstärke der Brennstoffzelle (2) aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (14) zur Bereitstellung elektrischer Energie, aufweisend eine Brennstoffzelle (2) und eine Betriebsvorrichtung (1 ) zum Betreiben der Brennstoffzelle (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Betriebsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
9. Kraftfahrzeug (15) mit einem Brennstoffzellensystem (14) nach Anspruch 8 zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor (16) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (15) unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem (14) bereitgestellt wird.
10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (14) nach Anspruch 8, aufweisend die folgenden Schritte:
- Ermitteln von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (2) mittels des Ermittlungsmoduls (3) der Betriebsvorrichtung (1 ),
- Ermitteln von Betriebszuständen der Brennstoffzelle (2) mittels des Analysemoduls (4) der Betriebsvorrichtung (1 ) auf Basis der ermittelten Betriebsparameter mittels der Total Harmonie Distortion Analysis,
- Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit einer in dem Speichermodul (6) gespeicherten Signalreaktionsmatrix zum Identifizieren einer spezifischen Gegenmaßnahme zum Verbessern des Betriebszustands mittels des Kontrollmoduls (5), und
- Kontrollieren der Brennstoffzelle (2) auf Basis der identifizierten Gegenmaßnahme mittels des Kontrollmoduls (5).
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Vergleichen der ermittelten Betriebszustände mit der Signalreaktionsmatrix mindestens ein ermittelter Betriebszustand einer in der Signalreaktionsmatrix definierten Betriebszustandsklasse zugeordnet wird, wobei die spezifische Gegenmaßnahme identifiziert wird, welche in der Signalreaktionsmatrix derselben Betriebszustandsklasse zugeordnet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein wiederholtes Ermitteln des Betriebszustands der Brennstoffzelle (2) mittels des Analysemoduls (4) erfolgt, wobei in dem Fall, dass der ermittelte Betriebszustand durch die spezifische Gegenmaßnahme keine vorbestimmte minimale Verbesserung aufweist, eine Intensität der Gegenmaßnahme verstärkt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die spezifischen Gegenmaßnahmen gemäß einer Hierarchie zwischen mehreren spezifischen Gegenmaßnahmen innerhalb einer Betriebszustandsklasse ausgewählt werden, wobei zunächst die am höchsten priorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt und bei einer zu geringen Verbesserung des Betriebszustands die nächstpriorisierte spezifische Gegenmaßnahme durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
sämtliche spezifische Gegenmaßnahmen einer Betriebszustandsklasse gemäß ihrer Hierarchisierung solange sukzessive durchgeführt werden, bis der Betriebszustand einen vordefinierten Betriebszustandsschwellwert erreicht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
als spezifische Gegenmaßnahme bei zu hoher Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle (2) eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht, das Abführen feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass erhöht, ein Druck in der Brennstoffzelle (2) abgesenkt oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle (2) gesenkt wird, und/oder dass bei zu geringer Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle (2) eine Temperatur der Brennstoffzelle (2) gesenkt, das Abführen feuchter Luft über den Befeuchter-Bypass reduziert, ein Druck in der Brennstoffzelle (2) erhöht oder eine Stromstärke der Brennstoffzelle (2) erhöht wird.
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