WO2023016866A2 - Verfahren und vorrichtung zur detektion einer beeinträchtigten brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur detektion einer beeinträchtigten brennstoffzelle Download PDF

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WO2023016866A2
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Marco Zoesch
Moritz Wenzel
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the technology disclosed here relates to a method and a corresponding device for detecting a degraded fuel cell of a fuel cell stack.
  • a motor vehicle can have a fuel cell system with a fuel cell stack with a large number of fuel cells, the fuel cell system generating electrical energy for the operation, in particular for the drive, of the vehicle on the basis of a fuel such as hydrogen.
  • the voltage of the individual fuel cells is typically monitored. If an impairment of the cell voltage (e.g. a negative cell voltage or a cell voltage that is lower than a predefined voltage threshold value) is detected in a fuel cell, the entire fuel cell stack can be deactivated as a protective measure. Similarly, if there is no measured voltage value for an individual fuel cell (e.g. due to the failure of a measuring module), the entire fuel cell stack can be deactivated for safety reasons, even if the individual fuel cell is not actually impaired.
  • an impairment of the cell voltage e.g. a negative cell voltage or a cell voltage that is lower than a predefined voltage threshold value
  • a device for monitoring a fuel cell stack wherein the fuel cell stack has a first fuel cell and at least one fuel cell (possibly directly) adjacent thereto.
  • the fuel cell stack includes a plurality of fuel cells (e.g., 100 or more, or 200 or more).
  • the fuel cell stack is operable in a vehicle to generate electrical energy to operate an electric drive motor of the vehicle.
  • the device is set up to determine a measured voltage value of the voltage generated by the adjacent fuel cell.
  • a voltage measurement module can be used for this purpose.
  • the neighboring fuel cell can be arranged directly at the edge of the first fuel cell and can thus be referred to as the edge cell of the first fuel cell.
  • the device is also set up to detect or predict an impairment of the first fuel cell on the basis of the determined measured voltage value of the voltage generated by the adjacent fuel cell.
  • the measured voltage value can be compared with a (possibly machine-learned) voltage threshold value. In particular, it can be determined whether the measured voltage value is greater or less than the voltage threshold value. If it is determined that the voltage If the measured value of the voltage generated by the adjacent fuel cell is less than the voltage threshold value, it can be concluded that there is or will be an impairment of the first fuel cell. If it is determined that the measured voltage value of the voltage generated by the adjacent fuel cell is greater than the voltage threshold value, it can be concluded that the first fuel cell is not or will not be impaired.
  • the device can be set up to compare the determined measured voltage value of the voltage generated by the adjacent fuel cell with a voltage threshold value, in particular a machine-learned one. It can then be determined in a particularly precise and robust manner on the basis of the comparison whether the first fuel cell is or will be impaired (or alternatively whether the measuring module of the first fuel cell is impaired).
  • the measured voltage value of the voltage generated by an adjacent fuel cell can thus be used to efficiently and reliably detect or predict impairment of a first fuel cell.
  • the device can be set up to bring about a protective measure to protect the fuel cell stack if, in particular only if, it has been detected or predicted that the first fuel cell is or will be impaired.
  • a protective measure for example, the entire fuel cell stack can be deactivated. Safe operation of the fuel cell stack can thus be effected in an efficient manner.
  • the device can be set up to determine on the basis of the measured voltage value of the voltage generated by the adjacent fuel cell whether there is or will be an impairment of the first fuel cell, or whether (alternatively) the measurement module for determining a voltage measurement value of the voltage generated by the first fuel cell is impaired. If it is determined that there is impairment of the measurement module of the first fuel cell (and no impairment of the first fuel cell), then taking a protective measure to protect the fuel cell stack can be dispensed with. In particular, the operation of the fuel cell stack can be continued. In this way, the availability of the fuel cell stack can be increased in a safe and efficient manner.
  • the fuel cell stack may include a plurality of adjacent fuel cells that are adjacent to the first fuel cell (possibly on different sides).
  • the device can be set up to determine a plurality of measured voltage values of the voltage respectively generated by the corresponding plurality of adjacent fuel cells.
  • measurement modules can be used for the individual adjacent fuel cells.
  • the device can be set up to detect or predict an impairment of the first fuel cell on the basis of the plurality of measured voltage values determined.
  • the individual voltage measurement values can each be compared with a (possibly machine-learned) voltage threshold value.
  • the reliability of the detection of an impairment of the first fuel cell can be further increased by taking into account measured voltage values for a number of different adjacent fuel cells.
  • the device can be set up to detect or predict an impairment of the first fuel cell without using a voltage measurement value for the voltage generated by the first fuel cell. In other words, based solely on the measured voltage values for one or more neighboring fuel cells, it can be recognized whether a Impairment of the first fuel cell (or alternatively an impairment of the measurement module of the first fuel cell) is present.
  • the fuel cell stack typically includes a plurality of fuel cells.
  • the device can be set up to determine a voltage measurement series with a large number of voltage measurement values for the corresponding number of fuel cells.
  • the voltage measurement series can optionally have a voltage measurement value for the first fuel cell. Impairment of the first fuel cell can then be detected or predicted in a particularly precise and robust manner, in particular by using an algorithm for pattern recognition, on the basis of the series of voltage measurements.
  • the device can be set up to detect or predict an impairment of the first fuel cell using a machine-learned decision unit based on the determined measured voltage value or on the basis of the determined measured voltage values.
  • the decision unit can include a decision tree with machine-learned decision criteria (in particular with voltage threshold values).
  • the decision unit, in particular the decision tree can be trained using training data. A particularly efficient and reliable monitoring of the fuel cell stack can thus be made possible.
  • a fuel cell system which includes the device described in this document.
  • a (road) motor vehicle in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) which comprises the device described in this document and/or the fuel cell system described in this document.
  • a method for monitoring a fuel cell stack is described, which has a first fuel cell and at least one (possibly directly adjacent) fuel cell adjacent thereto. The method includes determining a voltage reading of the voltage generated by the adjacent fuel cell. Furthermore, the method includes detecting or predicting an impairment (eg an undersupply and/or a defect) of the first fuel cell on the basis of the determined measured voltage value of the voltage generated by the adjacent fuel cell.
  • SW software program
  • the SW program can be set up to be executed on a processor (e.g. on a vehicle's control unit) and thereby to carry out the method described in this document.
  • a storage medium can comprise a SW program which is set up to be executed on a processor and thereby to carry out the method described in this document.
  • FIG. 1 shows an exemplary fuel cell system with a fuel cell stack
  • FIG. 2a shows an exemplary fuel cell stack in a side view
  • FIG. 2b shows an exemplary series of voltage measurements for a fuel cell stack
  • FIG. 3 shows a flowchart of an exemplary method for detecting and/or predicting impairment of a fuel cell stack.
  • Fig. 1 shows a fuel cell system 100 with a fuel cell stack 102 with a large number of fuel cells 101.
  • the fuel cell system 100 is designed, for example, for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the electrical energy for at least one electric drive motor for moving a motor vehicle.
  • a fuel cell 101 is an electrochemical energy converter that converts fuel (particularly FE) and oxidant into reaction products, producing electricity and heat in the process.
  • the fuel cell system 100 typically includes at least one pressure vessel 110 that can be used to provide the fuel for the fuel cells 101 .
  • the pressure vessel 110 is connected to the one or more fuel cells 101 via lines 112 .
  • a fuel cell 100 includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator.
  • the anode is supplied with fuel.
  • Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas.
  • the cathode is supplied with oxidant.
  • Preferred oxidizing agents are: air, oxygen and peroxides.
  • the ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM).
  • a cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Examples of materials for such a membrane are: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.
  • the fuel cells 101 of the fuel cell stack 102 generally each comprise two separator plates.
  • the ion-selective separator of a fuel cell 101 is usually arranged between two separator plates.
  • One separator plate forms the anode together with the ion-selective separator.
  • the further separator plate arranged on the opposite side of the ion-selective separator forms the cathode together with the ion-selective separator.
  • Gas channels for fuel or for oxidizing agents are preferably provided in the separator plates.
  • coolant channels for a coolant for cooling the fuel cells 101 can be provided in the separator plates.
  • the separator plates can be designed as monopolar plates or as bipolar plates.
  • a bipolar plate has two sides, one side forming the anode of a first fuel cell 101 together with an ion-selective separator and the second side forming the cathode of the second fuel cell 101 together with another ion-selective separator of an adjacent second fuel cell 101.
  • the fuel cell stack 102 includes end plates 201, 207 between which a plurality of fuel cells 101 are arranged.
  • the end plates 201, 207 can be used to hold or compress the fuel cells 101 of the fuel cell stack 102 together.
  • a fuel cell 101 can be formed by one side of two adjacent bipolar plates 203 in each case. Between two adjacent bipolar plates 203, an electrode-membrane unit (engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 204 may be arranged.
  • MEA Electrode Assembly
  • the fuel cell stack 102 includes a fuel duct 208 through which the fuel and/or an oxidant duct 202 through which the oxidant can be conducted via the bipolar plates 203 to the individual fuel cells 101 .
  • the oxidizing agent can be conveyed into the oxidizing agent channel 202 by means of an oxidizing agent conveyor 209 (for example by means of a compressor).
  • the fuel cell stack 102 includes one or more channels via which one or more reaction products (again via the bipolar plates 203) from the individual fuel cells 101 can be guided.
  • the fuel cell stack 102 typically has a multiplicity of measurement modules 210 for the corresponding multiplicity of fuel cells 101 .
  • the measurement module 210 for a fuel cell 101 can be set up to acquire voltage information, in particular a voltage measurement value, in relation to the electrical voltage generated by the fuel cell 101 .
  • a (control) device 103 of the fuel cell system 100 can be set up to determine a corresponding plurality of measured values of the voltages of the corresponding plurality of fuel cells 101 using the plurality of measurement modules 210 .
  • 2b shows an exemplary voltage measurement series 220 with a large number of voltage measurement values 221 for the corresponding large number of fuel cells 101 of the fuel cell stack 102.
  • a voltage measurement value 221 can be provided for the individual fuel cells 231, 232 in each case.
  • a first fuel cell 231 has a reduced measured value 221 . This is an indication that the first fuel cell 231 is impaired (eg due to an undersupply of fuel and/or oxidant or due to a defect).
  • the (control) device 103 can be set up to cause that Fuel cell system 100 is deactivated when based on voltage measurement series 220 an impaired fuel cell 231 is detected.
  • the measurement module 210 for the first fuel cell 231 has a defect and, as a result, displays an incorrect, in particular a reduced, voltage measurement value 221 for the first fuel cell 231 or no voltage measurement value at all. As a result, the fuel cell system 100 is deactivated although the first fuel cell 231 has no deterioration. A defective measurement module 210 can thus lead to reduced availability of the fuel cell system 100 .
  • an impaired first fuel cell 231 typically affects the measured voltage values 221 of one or more (directly) adjacent fuel cells 232.
  • the measured voltage values 221 of one or several (directly) adjacent fuel cells 232 are reduced when the first fuel cell 231 has a defect.
  • the measured voltage values 221 of the one or more (directly) adjacent fuel cells 232 are typically not reduced if the first fuel cell 231 is not defective.
  • This effect can be used to distinguish a first situation, in which the reduced measured voltage value 221 of the first fuel cell 231 is due to a defect in the first fuel cell 231, from a second situation, in which the reduced measured voltage value 221 of the first Fuel cell 231 is due to a defect in measuring module 210 of first fuel cell 231 . If the second situation is present, it is not necessary to deactivate the fuel cell system 100, so that the availability of the fuel cell system 100 can be increased. It can thus be observed that the voltage level of the neighboring cells 232 of a critical cell 231 also decreases over time. This relationship can be used to be able to make a reliable statement about the state of this cell 231 even without the data 221 of an individual cell 231 .
  • the pattern of a voltage measurement series 220 can be analyzed to determine whether a fuel cell stack 102 has a degraded cell 231 or not.
  • a recognition unit can be trained automatically on the basis of training data.
  • the detection unit can, for example, include a decision tree (with one or more voltage threshold values). Criteria (in particular threshold values) can be defined, in particular learned, within the framework of the decision tree, which make it possible to decide on the basis of the neighboring cells 232 whether a cell 231 is in critical condition or not.
  • a decision tree can typically be implemented in a resource-efficient manner on a microcontroller of the (control) device 103 .
  • An evaluation mechanism is thus described which checks the neighboring cells 232 of a cell 231 on the basis of specified criteria. If the criteria apply and/or are met, it can be assumed that the corresponding cell 231 is impaired.
  • the decision unit can be used to check whether the cell 231 is actually damaged and/or undersupplied or not.
  • measured values 221 can be present for all cells 231, 232. Damage and/or undersupply of this cell 231 can then be identified and/or predicted at an early stage, for example by examining the cell 231 with the smallest measured value 221.
  • the scoring mechanism and criteria for detection an impaired cell 231 can have been determined in advance by means of an automated validation of a large number of data.
  • FIG. 3 shows a flowchart of a (possibly computer-implemented) method 300 for monitoring a fuel cell stack 102 which has a first fuel cell 231 and at least one fuel cell 232 adjacent thereto.
  • a fuel cell stack 102 typically includes a plurality of fuel cells 101, 231, 232 (e.g., 100 or more, or 200 or more fuel cells 101, 231, 232).
  • the method 300 includes determining 301 a measured voltage value 232 of the voltage generated by the (possibly directly) neighboring fuel cell 232 .
  • a voltage measuring module 210 of the adjacent fuel cell 232 can be used for this purpose. It may be that no measured voltage value 231 can be determined for the first fuel cell 231 (e.g. due to a defect in the measuring module 210 for the first fuel cell 231). Possibly only a relatively low voltage measured value 231 for the voltage generated by the first fuel cell 231 can be determined (which can be caused, for example, by an impaired first fuel cell 231 or by an impaired measurement module 210).
  • the method 300 includes the detection or prediction 302 of an impairment of the first fuel cell 231 on the basis of the determined measured voltage value 232 of the voltage generated by the neighboring fuel cell 232 .
  • the voltage measurement of a directly adjacent fuel cell 232 can thus be used to detect in an efficient and reliable manner whether the first fuel cell 231 is actually impaired or not. This makes it possible to avoid erroneous detection of deterioration of the first fuel cell 231 efficiently and reliably.
  • an impairment of a fuel cell 231 of a fuel cell stack 102 can be detected and/or predicted (or possibly ruled out) in an efficient and reliable manner. In this way, the availability of the fuel cell stack 102 can be increased.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (103) zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels (102), der eine erste Brennstoffzelle (231) und zumindest eine dazu benachbarte Brennstoffzelle (232) aufweist. Die Vorrichtung (103) ist eingerichtet, einen Spannungs-Messwert (232) einer von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung zu ermitteln. Des Weiteren ist die Vorrichtung (103) eingerichtet, eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes (232) der von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung zu detektieren oder zu prädizieren.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer beeinträchtigten Brennstoffzelle
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Detektion einer beeinträchtigten Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapel s .
Ein Kraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisen, wobei das Brennstoffzellensystem auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert.
Um die Sicherheit des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, wird typischerweise die Spannung der einzelnen Brennstoffzellen überwacht. Wenn an einer Brennstoffzelle eine Beeinträchtigung der Zellspannung (z.B. eine negative Zellspannung oder eine Zellspannung, die kleiner als ein vordefinierter Spannungs-Schwellenwert ist) erkannt wird, kann als Schutzmaßnahme die Deaktivierung des gesamten Brennstoffzellenstapels bewirkt werden. In analoger Weise kann auch bei Nicht-Vorliegen eines Spannungs-Messwertes für eine einzelne Brennstoffzelle (z.B. aufgrund eines Ausfalls eines Messmoduls) aus Sicherheitsgründen eine Deaktivierung des gesamtem Brennstoffzellenstapels bewirkt werden, auch wenn tatsächlich keine Beeinträchtigung der einzelnen Brennstoffzelle vorliegt.
Durch eine derartige Sicherheitsabschaltung aufgrund eines nichtvorliegenden Spannungs-Messwertes wird die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems und somit des Fahrzeugs beeinträchtigt.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie die Verfügbarkeit eines Brennstoffzellensystems in effizienter und zuverlässiger Weise zu erhöhen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden jeweils durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels beschrieben, wobei der Brennstoffzellenstapel eine erste Brennstoffzelle und zumindest eine dazu (ggf. direkt) benachbarte Brennstoffzelle aufweist. Typischerweise weist der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen (z.B. 100 oder mehr, oder 200 oder mehr) auf. Der Brennstoffzellenstapel kann in einem Fahrzeug betrieben werden, um elektrische Energie für den Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors des Fahrzeugs zu generieren.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, einen Spannungs-Messwert der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann ein Spannungs-Messmodul verwendet werden. Die benachbarten Brennstoffzelle kann direkt am Rand der ersten Brennstoffzelle angeordnet sein, und kann somit als Randzelle der ersten Brennstoffzelle bezeichnet werden.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung zu detektieren oder zu prädizieren. Zu diesem Zweck kann der Spannungs-Messwert mit einem (ggf. Maschine-erlernten) Spannungs-Schwellenwert verglichen werden. Insbesondere kann ermittelt werden, ob der Spannungs-Messwert größer oder kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist. Wenn ermittelt wird, dass der Spannungs- Messwert der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung kleiner als der Spannungs-Schwellenwert ist, so kann ggf. darauf geschlossen werden, dass eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle vorliegt oder vorliegen wird. Wenn ermittelt wird, dass der Spannungs-Messwert der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung größer als der Spannungs- Schwellenwert ist, so kann ggf. darauf geschlossen werden, dass keine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle vorliegt oder vorliegen wird.
Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den ermittelten Spannungs-Messwert der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung mit einem, insbesondere Maschine-erlernten, Spannungs- Schwellenwert zu vergleichen. Es kann dann in besonders präziser und robuster Weise auf Basis des Vergleichs bestimmt werden, ob eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle vorliegt oder vorliegen wird (oder ob alternativ eine Beeinträchtigung des Messmoduls der ersten Brennstoffzelle vorliegt).
Der Spannungs-Messwert der von einer benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung kann somit dazu verwendet werden, in effizienter und zuverlässiger Weise eine Beeinträchtigung einer ersten Brennstoffzelle zu erkennen bzw. vorherzusagen.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Schutzmaßnahme zum Schutz des Brennstoffzellenstapels zu bewirken, wenn, insbesondere nur dann, wenn, detektiert bzw. prädiziert wurde, dass eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle vorliegt bzw. vorliegen wird. Als Schutzmaßnahme kann z.B. die Deaktivierung des gesamten Brennstoffzellenstapels bewirkt werden. So kann in effizienter Weise ein sicherer Betrieb des Brennstoffzellenstapels bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis des Spannungs-Messwertes der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung zu bestimmen, ob eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle vorliegt oder vorliegen wird, oder ob (alternativ) eine Beeinträchtigung des Messmoduls zur Ermittlung eines Spannungs-Messwertes der von der ersten Brennstoffzelle generierten Spannung vorliegt. Wenn bestimmt wird, dass eine Beeinträchtigung des Messmoduls der ersten Brennstoffzelle (und keine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle) vorliegt, so kann auf das Bewirken einer Schutzmaßnahme zum Schutz des Brennstoffzellenstapels verzichtet werden. Insbesondere kann der Betrieb des Brennstoffzellenstapels fortgesetzt werden. So kann in sicherer und effizienter Weise die Verfügbarkeit des Brennstoffzellenstapels erhöht werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann eine Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen aufweisen, die zu der ersten Brennstoffzelle (ggf. auf unterschiedlichen Seiten) benachbart sind. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Mehrzahl von Spannungs-Messwerten der von der entsprechenden Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen jeweils generierten Spannung zu ermitteln. Zu diesem Zweck können Messmodule für die einzelnen benachbarten Brennstoffzellen verwendet werden.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle auf Basis der Mehrzahl von ermittelten Spannungs- Messwerten zu detektieren oder zu prädizieren. Dabei können die einzelnen Spannungs-Messwerte jeweils mit einem (ggf. Maschine-erlernten) Spannungs- Schwellenwert verglichen werden. Durch die Berücksichtigung von Spannungs- Messwerten für mehrere unterschiedliche benachbarte Brennstoffzellen kann die Zuverlässigkeit der Erkennung einer Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle weiter erhöht werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, ohne Verwendung eines Spannungs- Messwertes für die von der ersten Brennstoffzelle generierten Spannung eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle zu detektieren oder zu prädizieren. Mit anderen Worten, es kann allein auf Basis der Spannungs-Messwerte für ein oder mehrere benachbarte Brennstoffzellen erkannt werden, ob eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (oder alternativ eine Beeinträchtigung des Messmoduls der ersten Brennstoffzelle) vorliegt.
Wie weiter oben dargelegt, umfasst der Brennstoffzellenstapel typischerweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Spannungs-Messreihe mit einer Vielzahl von Spannungs-Messwerten für die entsprechende Vielzahl von Brennstoffzellen zu ermitteln. Dabei kann die Spannungs-Messreihe ggf. einen Spannungs-Messwert für die erste Brennstoffzelle aufweisen. Eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle kann dann in besonders präziser und robuster Weise, insbesondere durch Verwendung eines Algorithmus zur Mustererkennung, auf Basis der Spannungs-Messreihe detektiert oder prädiziert werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle anhand einer Maschine-erlernten Entscheidungseinheit auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes bzw. auf Basis der ermittelten Spannungs- Messwerte zu detektieren oder zu prädizieren. Die Entscheidungseinheit kann dabei einen Entscheidungsbaum mit Maschine-erlernten Entscheidungskriterien (insbesondere mit Spannungs-Schwellwerten) umfassen. Das Anlernen der Entscheidungseinheit, insbesondere des Entscheidungsbaums, kann anhand von Trainingsdaten erfolgen. So kann eine besonders effiziente und zuverlässige Überwachung des Brennstoffzellenstapels ermöglicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels beschrieben, der eine erste Brennstoffzelle und zumindest eine dazu (ggf. direkt angrenzend) benachbarte Brennstoffzelle aufweist. Das Verfahren umfasst das Ermitteln eines Spannungs-Messwertes der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Detektieren oder Prädizieren einer Beeinträchtigung (z.B. einer Unterversorgung und/oder eines Defektes) der ersten Brennstoffzelle auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes der von der benachbarten Brennstoffzelle generierten Spannung.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen Figur 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
Figur 2a einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht; Figur 2b eine beispielhafte Spannungs-Messreihe für einen Brennstoffzellenstapel;
Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Detektion und/oder zur Prädiktion einer Beeinträchtigung eines Brennstoffzellenstapels.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und zuverlässigen Erhöhung der Verfügbarkeit eines Brennstoffzellensystems. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge ausgebildet, insbesondere zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff (insbesondere FE) und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff für die Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden.
Eine Brennstoffzelle 100 umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen i.d.R. jeweils zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle 101 ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Des Weiteren können in den Separatorplatten Kühlmittelkanäle für ein Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoffzellen 101 vorgesehen sein.
Die Separatorplatten können als Monopolarplatten oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Insbesondere weist dabei eine Bipolarplatte zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator die Anode einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
Fig. 2a zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht (entlang der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems). Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 201, 207 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 201, 207 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 203 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 203 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 204 angeordnet sein. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 einen Brennstoff-Kanal 208 durch den Brennstoff und/oder einen Oxidationsmittel-Kanal 202 durch den Oxidationsmittel über die Bipolarplatten 203 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Dabei kann das Oxidationsmittel mittels eines Oxidationsmittelförderers 209 (z.B. mittels eines Kompressors) in den Oxidationsmittel-Kanal 202 gefördert werden. Des Weiteren umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 ein oder mehrere Kanäle über die ein oder mehrere Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 203) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.
Der Brennstoffzellenstapel 102 weist typischerweise eine Vielzahl von Messmodulen 210 für die entsprechende Vielzahl von Brennstoffzellen 101 auf. Das Messmodul 210 für eine Brennstoffzelle 101 kann eingerichtet sein, Spannungsinformation, insbesondere einen Spannungs-Messwert, in Bezug auf die von der Brennstoffzelle 101 erzeugten elektrischen Spannung zu erfassen.
Eine (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 kann eingerichtet sein, anhand der Vielzahl von Messmodulen 210 eine entsprechende Vielzahl von Messwerten der Spannungen der entsprechenden Vielzahl von Brennstoffzellen 101 zu ermitteln. Fig. 2b zeigt eine beispielhafte Spannungs- Messreihe 220 mit einer Vielzahl von Spannungs-Messwerten 221 für die entsprechende Vielzahl von Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102. Dabei kann für die einzelnen Brennstoffzellen 231, 232 jeweils ein Spannungs- Messwert 221 bereitgestellt werden.
In dem in Fig. 2b dargestellten Beispiel weist eine erste Brennstoffzelle 231 einen reduzierten Messwert 221 auf. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die erste Brennstoffzelle 231 beeinträchtigt ist (z.B. aufgrund einer Unterversorgung mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel oder aufgrund eines Defektes). Die (Steuer- ) Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, zu bewirken, dass das Brennstoffzellensystem 100 deaktiviert wird, wenn auf Basis der Spannungs- Messreihe 220 eine beeinträchtigte Brennstoffzelle 231 detektiert wird.
Es kann vorkommen, dass das Messmodul 210 für die erste Brennstoffzelle 231 einen Defekt aufweist, und als Folge daraus einen fehlerhaften, insbesondere einen reduzierten, oder gar keinen Spannungs-Messwert 221 für die erste Brennstoffzelle 231 anzeigt. Dies hat zur Folge, dass das Brennstoffzellensystem 100 deaktiviert wird, obwohl die erste Brennstoffzelle 231 keine Beeinträchtigung aufweist. Ein defektes Messmodul 210 kann somit zu einer reduzierten Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems 100 führen.
Wie aus Fig. 2b hervorgeht, hat eine beeinträchtigte erste Brennstoffzelle 231 typischerweise Auswirkungen auf die Spannungs-Messwerte 221 der ein oder mehreren (direkt) benachbarten Brennstoffzellen 232. Insbesondere ist aus Fig. 2b ersichtlich, dass auch die Spannungs-Messwerte 221 der ein oder mehreren (direkt) benachbarten Brennstoffzellen 232 reduziert sind, wenn die erste Brennstoffzelle 231 einen Defekt aufweist. Andererseits sind die Spannungs- Messwerte 221 der ein oder mehreren (direkt) benachbarten Brennstoffzellen 232 typischerweise nicht reduziert, wenn die erste Brennstoffzelle 231 keinen Defekt aufweist.
Dieser Effekt kann dazu genutzt werden, eine erste Situation, bei der der reduzierte Spannungs-Messwert 221 der ersten Brennstoffzelle 231 auf einen Defekt der ersten Brennstoffzelle 231 zurückzuführen ist, von einer zweiten Situation zu unterscheiden, bei der der reduzierte Spannungs-Messwert 221 der ersten Brennstoffzelle 231 auf einen Defekt des Messmoduls 210 der ersten Brennstoffzelle 231 zurückzuführen ist. Bei Vorliegen der zweiten Situation ist eine Deaktivierung des Brennstoffzellensystems 100 nicht erforderlich, sodass die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems 100 erhöht werden kann. Es kann somit beobachtet werden, dass das Spannungsniveau der Nachbarzellen 232 einer kritischen Zelle 231 ebenfalls mit der Zeit absinkt. Dieser Zusammenhang kann dazu genutzt werden, um auch ohne die Daten 221 einer Einzelzelle 231 eine sichere Aussage über den Zustand dieser Zelle 231 treffen zu können. Es kann insbesondere das Muster einer Spannungs-Messreihe 220 analysiert werden, um zu bestimmen, ob ein Brennstoffzellenstapel 102 eine beeinträchtigte Zelle 231 aufweist oder nicht. Zu diesem Zweck kann auf Basis von Trainingsdaten eine Erkennungseinheit maschinell angelernt werden. Die Erkennungseinheit kann z.B. einen Entscheidungsbaum (mit ein oder mehreren Spannungs-Schwellwerten) umfassen, Dabei können im Rahmen des Entscheidungsbaums Kriterien (insbesondere Schwellwerte) festgelegt, insbesondere angelernt, werden, die es ermöglichen, anhand der Nachbarzellen 232 zu entscheiden, ob sich eine Zelle 231 in einem kritischen Zustand befindet oder nicht. Ein Entscheidungsbaum kann typischerweise in ressourceneffizienter Weise auf einem Mikrocontroller der (Steuer-) Vorrichtung 103 implementiert werden.
Es wird somit ein Bewertungs-Mechanismus beschrieben, der anhand festgelegter Kriterien die Nachbarzellen 232 einer Zelle 231 überprüft. Wenn die Kriterien anschlagen und/oder erfüllt sind, kann davon ausgegangen werden, dass die entsprechende Zelle 231 beeinträchtigt ist.
In einem beispielhaften Fall liegt ggf. für eine Zelle 231 kein (verlässlicher) Messwert 221 vor. Mit dem beschriebenen Bewertungsmechanismus kann anhand der Entscheidungseinheit überprüft werden, ob die Zelle 231 tatsächlich geschädigt und/oder unterversorgt ist oder nicht. In einem weiteren Beispiel können für alle Zellen 231, 232 Messwerte 221 vorliegen. Es kann dann, z.B. durch Betrachtung der Zelle 231 mit dem kleinsten Messwert 221, ggf. frühzeitig eine Schädigung und/oder Unterversorgung dieser Zelle 231 erkannt und/oder prädiziert werden. Der Bewertungsmechanismus und die Kriterien zur Erkennung einer beeinträchtigten Zelle 231 können vorab mittels einer automatisierten Validierung einer Vielzahl an Daten ermittelt worden sein.
Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines (ggf. Computer-implementierten) Verfahrens 300 zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels 102, der eine erste Brennstoffzelle 231 und zumindest eine dazu benachbarte Brennstoffzelle 232 aufweist. Ein Brennstoffzellenstapel 102 weist typischerweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen 101, 231, 232 (z.B. 100 oder mehr, oder 200 oder mehr Brennstoffzellen 101, 231, 232) auf.
Das Verfahren 300 umfasst das Ermitteln 301 eines Spannungs-Messwertes 232 der von der (ggf. direkt) benachbarten Brennstoffzelle 232 generierten Spannung. Zu diesem Zweck kann ein Spannungs-Messmodul 210 der benachbarten Brennstoffzelle 232 verwendet werden. Ggf. kann für die erste Brennstoffzelle 231 kein Spannungs-Messwert 231 ermittelt werden (z.B. aufgrund eines Defektes des Messmoduls 210 für die erste Brennstoffzelle 231). Ggf. kann nur ein relativ geringer Spannungs-Messwert 231 für die von der ersten Brennstoffzelle 231 generierten Spannung ermittelt werden (der z.B. durch eine beeinträchtigte erste Brennstoffzelle 231 oder durch ein beeinträchtigtes Messmodul 210 verursacht sein kann).
Des Weiteren umfasst das Verfahren 300 das Detektieren oder Prädizieren 302 einer Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle 231 auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes 232 der von der benachbarten Brennstoffzelle 232 generierten Spannung. Es kann somit die Spannungs-Messung einer direkt benachbarten Brennstoffzelle 232 dazu verwendet werden, um in effizienter und zuverlässiger Weise zu erkennen, ob die erste Brennstoffzelle 231 tatsächlich beeinträchtigt ist oder nicht. Dies ermöglicht es, in effizienter und zuverlässiger Weise eine fehlerhafte Erkennung einer Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle 231 zu vermeiden. Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann in effizienter und zuverlässiger Weise eine Beeinträchtigung einer Brennstoffzelle 231 eines Brennstoffzellenstapels 102 erkannt und/oder prädiziert werden (oder ggf. ausgeschlossen werden). So kann die Verfügbarkeit des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste
100 Brennstoffzellensystem
101 Brennstoffzelle
102 Brennstoffzellenstapel
103 (Steuer-) Vorrichtung
110 Druckb ehälter
112 Leitung (Brennstoff)
201 (Lei tungs -zugewandte) Endplatte
202 Leitung (Oxidationsmittel)
203 Bipolarplatte
204 Elektrode-Membran-Einheit
207 (Leitungs -ab gewandte) Endplatte
208 Leitung (Brennstoff)
209 Oxidationsmittelförderer
210 Messmodul
220 Messreihe
221 Messwert
231 betrachtete (erste) Brennstoffzelle
232 benachbarte Brennstoffzelle
300 Verfahren zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels
301-302 Verfahrensschritte

Claims

Ansprüche
1) Vorrichtung (103) zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels (102), der eine erste Brennstoffzelle (231) und zumindest eine dazu benachbarte Brennstoffzelle (232) aufweist; wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist,
- einen Spannungs-Messwert (232) einer von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung zu ermitteln; und
- eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes (232) der von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung zu detektieren oder zu prädizieren.
2) Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 1, wobei
- der Brennstoffzellenstapel (102) eine Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen (232) aufweist, die zu der ersten Brennstoffzelle (231) benachbart sind; und
- die Vorrichtung (103) eingerichtet ist,
- eine Mehrzahl von Spannungs-Messwerten (232) der von der entsprechenden Mehrzahl von benachbarten Brennstoffzellen (232) jeweils generierten Spannung zu ermitteln; und
- eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) auf Basis der Mehrzahl von ermittelten Spannungs-Messwerten (232) zu detektieren oder zu prädizieren.
3) Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) anhand einer Maschine-erlernten Entscheidungseinheit auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes (232) zu detektieren oder zu prädizieren. 4) Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 3, wobei die Entscheidungseinheit einen Entscheidungsbaum mit Maschine-erlernten Entscheidungskriterien umfasst.
5) Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, ohne Verwendung eines Spannungs- Messwertes (221) für die von der ersten Brennstoffzelle (231) generierten Spannung eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) zu detektieren oder zu prädizieren.
6) Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, auf Basis des Spannungs-Messwertes (232) der von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung zu bestimmen, ob
- eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) vorliegt oder nicht; oder
- eine Beeinträchtigung eines Messmoduls (210) zur Ermittlung eines Spannungs-Messwertes (221) der von der ersten Brennstoffzelle (231) generierten Spannung vorliegt.
7) Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist,
- den ermittelten Spannungs-Messwert (232) der von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung mit einem, insbesondere Maschine-erlernten, Spannungs-Schwellenwert zu vergleichen; und
- auf Basis des Vergleichs zu bestimmen, ob eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) vorliegt oder vorliegen wird.
8) Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Brennstoffzellenstapel (102) eine Vielzahl von Brennstoffzellen (101, 231, 232) umfasst; und
- die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - 17 -
- eine Spannungs-Messreihe (220) mit einer Vielzahl von Spannungs-Messwerten (221) für die entsprechende Vielzahl von Brennstoffzellen (101, 231, 232) zu ermitteln; und
- eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231), insbesondere durch Verwendung eines Algorithmus zur Mustererkennung, auf Basis der Spannungs-Messreihe (220) zu detektieren oder zu prädizieren. ) Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, eine Schutzmaßnahme zum Schutz des Brennstoffzellenstapels (102) zu bewirken, wenn, insbesondere nur dann, wenn, detektiert bzw. prädiziert wurde, dass eine Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) vorliegt bzw. vorliegen wird. 0) Verfahren (300) zur Überwachung eines Brennstoffzellenstapels (102), der eine erste Brennstoffzelle (231) und zumindest eine dazu benachbarte Brennstoffzelle (232) aufweist; wobei das Verfahren (300) umfasst,
- Ermitteln (301) eines Spannungs-Messwertes (232) einer von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung; und
- Detektieren oder Prädizieren (302) einer Beeinträchtigung der ersten Brennstoffzelle (231) auf Basis des ermittelten Spannungs-Messwertes (232) der von der benachbarten Brennstoffzelle (232) generierten Spannung.
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