WO2023083764A2 - Verfahren zur diagnose eines brennstoffzellensystems, systemsteuervorrichtung zur durchführung eines solchen verfahrens und brennstoffzellensystem mit einer solchen systemsteuervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur diagnose eines brennstoffzellensystems, systemsteuervorrichtung zur durchführung eines solchen verfahrens und brennstoffzellensystem mit einer solchen systemsteuervorrichtung Download PDF

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Thomas Köser
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Definitions

  • the invention relates to a method for diagnosing a fuel cell system, a system control device for carrying out such a method and a fuel cell system with such a system control device.
  • Methods for diagnosing a fuel cell system with at least two fuel cell modules are known, in which a state of the respective fuel cell module is determined decentrally in each fuel cell module of the fuel cell system by means of a respective decentralized control device.
  • the disadvantage of this is that an exchange of information between the decentralized control devices of the fuel cell modules and thus a cross-comparison is not possible.
  • a consumer current load is distributed to the at least two fuel cell modules of the fuel cell system.
  • a diagnosis of the fuel cell system is therefore dependent on the consumer current load.
  • the disadvantage of this is that a variation of the load point, in particular of a fuel cell module, and thus a comprehensive diagnosis of the fuel cell system, in particular during regular operation, can only be carried out with difficulty.
  • the invention is therefore based on the object of creating a method for diagnosing a fuel cell system, a system control device for carrying out such a method and a fuel cell system with such a system control device, the disadvantages mentioned being at least partially eliminated, preferably avoided.
  • the object is achieved by providing the present technical teaching, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
  • the object is achieved in particular by creating a method for diagnosing a fuel cell system which has at least two fuel cell modules, at least one electricity storage device and a system control device, with the system control device detecting a system output.
  • a predetermined load point is set on the first fuel cell module, with a first power being assigned to the predetermined load point.
  • a second first output on at least one second fuel cell module of the at least two fuel cell modules and a second output on the at least one electricity storage device are set by means of the system control device in such a way that a total output as the sum of the plurality of outputs and the detected system output results in zero.
  • at least one first operating value of the first fuel cell module is determined at the predetermined load point, a state of the first fuel cell module being determined on the basis of the at least one first operating value.
  • any desired load point can therefore advantageously be set on a fuel cell module, so that it is in particular possible to examine a complete range of load points, in particular from low load to full load. It is advantageously also possible using the method to monitor the state and/or aging behavior of the fuel cell system, in particular before an error occurs, and in particular to maintain the fuel cell module and/or fuel cell system based on the state of a fuel cell module and/or the fuel cell system.
  • the method for diagnosing the fuel cell system can be carried out during regular operation of the fuel cell system, and thus uninterrupted operation of the fuel cell system can be ensured.
  • the method is carried out autonomously, in particular automatically or automatically, in particular without personnel expenditure, in particular as a self-diagnosis method.
  • the method is particularly preferably carried out locally within the fuel cell system.
  • the method is preferably carried out at least partially in an external computing device.
  • the power is considered taking into account the flow direction of the electrical energy.
  • a positive power of a component is a power which is emitted by the component under consideration--in particular a fuel cell module of the plurality of fuel cell modules, the power storage device or an external system--where the component under consideration emits energy.
  • a negative power of the component is a power which is provided at the component—in particular the power storage device and the external system—whereby the component absorbs energy.
  • the at least one power storage device is designed as an uninterruptible power supply.
  • the at least one power storage device preferably has at least one power storage element.
  • the at least one power storage device additionally has at least one inverter, which is preferably set up to convert direct current into alternating current and/or to convert alternating current into direct current.
  • the inverter is preferably designed as a DC voltage converter, in particular as a step-up converter or as a step-down converter.
  • the inverter is preferably set up to convert a first AC voltage with a first amplitude and a first frequency into a second AC voltage with a second amplitude and a second frequency, the first amplitude and the second amplitude and/or the first frequency and the second frequency are different.
  • the at least one power storage element is preferably designed as a battery. Alternatively or additionally, the at least one power storage element is designed as a capacitor or ultracapacitor.
  • the at least two fuel cell modules are set up to convert chemical energy into electrical energy, preferably by means of oxidation of a fuel, in particular hydrogen.
  • the at least two fuel cell modules are thus designed as energy sources.
  • the electrical energy is preferably transmitted as direct current from the at least two fuel cell modules, in particular to the power storage device.
  • exactly one external system is connected to the fuel cell system, so that the recorded system performance is determined by exactly one external system.
  • a plurality of external systems is preferably connected to the fuel cell system, so that the detected system power from the plurality of external systems is determined as the sum of the individual system powers of the individual external systems.
  • the individual plant performances can each be positive or negative.
  • the at least one external system is selected from a group consisting of a data center, a hospital, an industrial plant, an internal combustion engine with a generator that is drivingly connected to the internal combustion engine, a gas turbine with a generator that is drivingly connected to the gas turbine, and a system for Providing of renewable energy, in particular a photovoltaic installation and/or a wind power installation.
  • the computer center, the hospital and the industrial plant are preferably designed as energy sinks.
  • the internal combustion engine with the drive-connected generator, the gas turbine with the drive-connected generator and the system for providing renewable energy are preferably designed as energy sources and preferably set up to transmit electrical energy to the fuel cell system, in particular to the electricity storage device.
  • the fuel cell modules each have at least one fuel cell stack, preferably a plurality of fuel cell stacks, a module control device and a module supply device.
  • the module supply device has in particular a fuel supply line, an oxidizing agent supply line, an exhaust air discharge line, a coolant line and an energy transmission device.
  • the module control device is preferably operatively connected to the module supply device and set up to control it.
  • the module controller is preferably operatively connected to the system controller.
  • the module control device is set up in particular to set the predetermined load point of the associated fuel cell module.
  • the at least two fuel cell modules and the at least one power storage device are preferably connected to one another in such a way that energy, in particular electrical energy, can be exchanged.
  • the electrical energy provided by at least one fuel cell module can be routed to the at least one electricity storage device for storage.
  • the temperature is selected from a group consisting of a fuel temperature, in particular a hydrogen temperature, an oxidizing agent temperature, in particular an oxygen temperature, an exhaust air temperature, in particular a water vapor temperature, and a coolant temperature first fuel cell module.
  • the volume flow is selected from a group consisting of a fuel volume flow, in particular a hydrogen volume flow, an oxidizing agent volume flow, in particular an oxygen volume flow, an exhaust air volume flow, in particular a water vapor volume flow, and a coolant volume flow first fuel cell module.
  • the mass flow is selected from a group consisting of a fuel mass flow, in particular a hydrogen mass flow, an oxidizing agent mass flow, in particular an oxygen mass flow, an exhaust air mass flow, in particular a water vapor mass flow, and a coolant mass flow first fuel cell module.
  • the pressure is selected from a group consisting of a fuel pressure, in particular a hydrogen pressure, an oxidizing agent pressure, in particular an oxygen pressure, an exhaust air pressure, in particular a water vapor pressure, and a coolant pressure first fuel cell module.
  • a plurality of states of the first fuel cell module are determined as stationary or quasi-stationary or dynamic.
  • a quasi-stationary determination of the plurality of states for the plurality of predetermined load points is realized by the plurality of predetermined Load points are set in chronological succession such that a stationary or at least approximately stationary determination of the respective state of the fuel cell module is possible for each predetermined load point of the plurality of predetermined load points.
  • a quasi-stationary current-voltage characteristic can indicate a malfunction of the fuel cell module being examined, in particular the first fuel cell module.
  • a step response of a variable selected from a group consisting of the voltage of the fuel cell system, the current of the fuel cell system, a temperature, a volume flow, a mass flow, a pressure and a speed of a turbocharger is considered in order to determine the transmission behavior.
  • the temperature is selected from a group consisting of a fuel temperature, in particular a hydrogen temperature, an oxidizing agent temperature, in particular an oxygen temperature, an exhaust air temperature, in particular a water vapor temperature, and a coolant temperature first fuel cell module.
  • the volume flow is selected from a group consisting of a fuel volume flow, in particular a hydrogen volume flow, an oxidizing agent volume flow, in particular an oxygen volume flow, an exhaust air volume flow, in particular a water vapor volume flow, and a coolant volume flow first fuel cell module.
  • the pressure is selected from a group consisting of a fuel pressure, in particular a hydrogen pressure, an oxidizing agent pressure, in particular an oxygen pressure, an exhaust air pressure, in particular a water vapor pressure, and a coolant pressure first fuel cell module.
  • the state of the first fuel cell module is determined by comparing the determined first operating value of the first fuel cell module with a determined second operating value of the at least one second fuel cell module, with the state of the first fuel cell module being determined based on the comparison .
  • the state of the first fuel cell module is determined by comparing the determined first operating value of the first fuel cell module with a digital twin model of the first fuel cell module, the state of the first fuel cell module being determined based on the comparison.
  • the first operating value of the first fuel cell module is compared to the second operating value of the second fuel cell module, with the load points associated with the respective operating values preferably being almost identical, so that a reliable comparison of the operating values is possible.
  • the in particular quasi-steady-state current-voltage characteristic of the first fuel cell module is compared with an in particular quasi-steady-state current-voltage characteristic of the second fuel cell module.
  • deviations in the respective time derivatives, in particular in the gradients of the current-voltage characteristics and/or in the curvatures of the current-voltage characteristics indicate a faulty fuel cell module.
  • the digital twin model of the first fuel cell module is calculated using averaged, in particular historical operating data of the fuel cell system and/or the first fuel cell module.
  • the digital twin model is preferably updated continuously using the averaged, in particular historical operating data, in particular over the entire operating time of the fuel cell system.
  • the digital twin model is preferably further developed by means of a model-based error identification in order in particular to ensure the best possible error localization.
  • the plurality of predetermined load points form a load curve over time.
  • the load curve over time is preferably composed of at least one function selected from a step function, a square function, a linear function and a sine function, and/or a superposition of at least two functions, in particular at least two functions selected from at least one step function and at least one square function , at least one linear function, and at least one sine function.
  • At least one state, preferably a plurality of states, of the respective fuel cell module is determined iteratively for a predetermined number of fuel cell modules, in particular for each fuel cell module of the at least two fuel cell modules.
  • the object is also achieved by creating a system control device for controlling a fuel cell system, the system control device being set up to carry out a method according to the invention or a method according to one or more of the embodiments described above.
  • the system control device is preferably designed as a computing device, particularly preferably as a computer, or as a control unit, in particular as a control unit of a fuel cell system.
  • a computing device particularly preferably as a computer
  • control unit in particular as a control unit of a fuel cell system.
  • the system control device is preferably set up to be operatively connected to the at least two fuel cell modules and the at least one electricity storage device, and set up to control them in each case.
  • the system control device is particularly preferably set up to be operatively connected to the module control devices of the at least two fuel cell modules and set up to control them in each case.
  • the system control device is preferably operatively connected to the at least two fuel cell modules and the at least one electricity storage device and set up to control them in each case.
  • the system control device is particularly preferably operatively connected to the module control device of the at least two fuel cell modules and set up for their respective activation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a fuel cell system
  • FIG. 2 shows a flowchart of a first exemplary embodiment of a method for diagnosing the fuel cell system
  • FIG. 3 shows a flowchart of a second exemplary embodiment of the method for diagnosing the fuel cell system
  • FIG. 5 shows a flowchart of a fourth exemplary embodiment of the method for diagnosing the fuel cell system
  • the second module control device 9.2 is operatively connected to the second module supply device 13.2 and preferably to the second fuel cell stack 11.2 in a manner that is not explicitly shown and is set up to control them in each case.
  • the fuel cell system 1, in particular the fuel cell modules 5, in particular the module supply devices 13, is preferably connected to a fuel tank or a fuel line, not shown here.
  • the fuel cell system 1 is preferably connected to at least one external system 15 for the transmission of electrical energy.
  • Figure 2 shows a flow chart of a first embodiment of a method for diagnosing the fuel cell system 1.
  • a fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5, in particular—without loss of generality—the first fuel cell module 5.1 is selected.
  • a system performance is recorded.
  • the system performance is preferably specified by the at least one external system 15 or a plurality of external systems 15 .
  • the second step S2 and the third step S3 are preferably carried out simultaneously.
  • the second step S2 is preferably carried out first, followed by the third step S3.
  • the third step S3 is preferably carried out first, followed by the second step S2.
  • a second first output on at least one second fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5, in particular - without loss of generality - on the second fuel cell module 5.2, and a second output on the at least one electricity storage device 7 are set in such a way that a Total power as the sum of the majority of powers and the recorded system power is zero.
  • at least one first operating value of the selected fuel cell module 5, in particular of the first fuel cell module 5.1 is determined at the predetermined load point.
  • a state of the selected fuel cell module 5, in particular of the first fuel cell module 5.1 is determined on the basis of the at least one first operating value.
  • a seventh step S7 at least one second operating value of the at least one second fuel cell module 5, in particular - without loss of generality - of the second fuel cell module 5.2 is determined .
  • Figure 4 shows a flow chart of a third exemplary embodiment of the method for diagnosing the fuel cell system 1.
  • a fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5 of the fuel cell system 1 is selected, analogously to the first exemplary embodiment from FIG. 2 and the second exemplary embodiment from FIG.
  • a ninth step S9 the first exemplary embodiment of the method for diagnosing the fuel cell system 1 from FIG. 2, in particular steps S2 to S6, is preferably carried out.
  • a tenth step S10 it is checked whether at least one state of the respective fuel cell module 5 was determined for a predetermined number of fuel cell modules 5 of the at least two fuel cell modules 5 of the fuel cell system 1, in particular for each fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5.
  • the first step S1, the ninth step S9 and the tenth step S10 are carried out again for a new fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5 .
  • At least one state of the respective fuel cell module 5 is preferably determined iteratively for each fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5 .
  • the fourth exemplary embodiment of the method differs from the third exemplary embodiment from FIG. 4 in that, after the ninth step S9, a twelfth step S12 checks whether the selected fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5 from the first step S1 for each predefined load point a state of the selected fuel cell module 5 was determined at a plurality of predefined load points.
  • the ninth step S9 and the twelfth step S12 are carried out again.
  • a state of the selected fuel cell module 5 is preferably determined as stationary or quasi-stationary or dynamic for the plurality of predetermined load points, in particular by means of the fourth exemplary embodiment of the method.
  • the plurality of predetermined load points preferably form a load profile over time.
  • this load curve over time is preferably composed of at least one function selected from a step function, a rectangular function, a linear function and a sine function, and/or a superimposition of at least two such functions.
  • Figure 6 shows a flow chart of a fifth exemplary embodiment of the method for diagnosing the fuel cell system 1.
  • the fifth exemplary embodiment of the method is preferably a combination of the third exemplary embodiment of the method from FIG. 4 and the fourth exemplary embodiment of the method from FIG of the fuel cell system 1, a state of the respective fuel cell module 5 is determined for each predetermined load point of the plurality of predetermined load points.
  • a fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5 of the fuel cell system 1 is selected in the first step S1, analogously to the previous exemplary embodiments.
  • the ninth step S9 and the twelfth step S12 are carried out again.
  • a state of the selected fuel cell module 5 was determined for each predefined load point of the plurality of predefined load points, it is checked in the tenth step S10 whether for the predetermined number of fuel cell modules 5 of the at least two Fuel cell modules 5 of the fuel cell system 1, in particular for each fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5, at least one state of the respective fuel cell module 5 was determined. If at least one state of the respective fuel cell module 5 has been determined for the predetermined number of fuel cell modules 5, in particular for each fuel cell module 5 of the at least two fuel cell modules 5, the method ends in the eleventh step Si1.
  • At least one exemplary embodiment selected from the exemplary embodiments of the method from FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5 and FIG. 6, is preferably additionally repeated cyclically, in particular after a predefined operating time of the fuel cell system 1 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems (1), das mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5), mindestens eine Stromspeichervorrichtung (7) und eine Systemsteuervorrichtung (3) aufweist, wobei - durch die Systemsteuervorrichtung (3) eine Anlagenleistung erfasst wird, wobei - an dem ersten Brennstoffzellenmodul (5.1) ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt wird, wobei - dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird, wobei - eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul (5.2) der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5) und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung (7) mittels der Systemsteuervorrichtung (3) derart eingestellt werden, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt, wobei - mindestens ein erster Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt wird, wobei - anhand des mindestens einen ermittelten ersten Betriebswerts ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) ermittelt wird.

Description

Rolls-Royce Solutions GmbH
BESCHREIBUNG
Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, Systemsteuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und Brennstoffzellensystem mit einer solchen Systemsteuervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, eine Systemsteuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Systemsteuervorrichtung.
Es sind Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems mit mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen bekannt, bei welchen in jedem Brennstoffzellenmodul des Brennstoffzellensystems mittels einer jeweiligen dezentralen Steuervorrichtung ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls dezentral bestimmt wird. Nachteilig daran ist, dass ein Informationsaustausch zwischen den dezentralen Steuervorrichtungen der Brennstoffzellenmodule und somit ein Quervergleich nicht möglich ist.
Darüber hinaus wird eine Verbraucherstromlast auf die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule des Brennstoffzellensystems verteilt. Daher ist eine Diagnose des Brennstoffzellensystems abhängig von der Verbraucherstromlast. Nachteilig daran ist, dass eine Variation des Lastpunktes insbesondere eines Brennstoffzellenmoduls und somit eine umfassende Diagnose des Brennstoffzellensystems, insbesondere während eines regulären Betriebs, nur schwer durchführbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, eine Systemsteuervorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Systemsteuervorrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben, vorzugsweise vermieden sind. Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems, das mindestens zwei Brennstoffzellenmodule, mindestens eine Stromspeichervorrichtung und eine Systemsteuervorrichtung aufweist, geschaffen wird, wobei durch die Systemsteuervorrichtung eine Anlagenleistung erfasst wird. An dem ersten Brennstoffzellenmodul wird ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt, wobei dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird. Weiterhin werden eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung mittels der Systemsteuervorrichtung derart eingestellt, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt. Weiterhin, insbesondere anschließend, wird mindestens ein erster Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt, wobei anhand des mindestens einen ersten Betriebswerts ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls ermittelt wird.
Vorteilhafterweise ist es mittels des Verfahrens möglich, einen Zustand eines Brennstoffzellenmoduls unabhängig von der erfassten Anlagenleistung zu bestimmen. Weiterhin kann daher vorteilhafterweise ein beliebiger Lastpunkt an einem Brennstoffzellenmodul eingestellt werden, sodass es insbesondere möglich ist, eine komplette Bandbreite der Lastpunkte, insbesondere von Niedrig-Last bis Voll-Last, zu untersuchen. Vorteilhafterweise ist es mittels des Verfahrens zusätzlich möglich, den Zustand und/oder ein Alterungsverhalten des Brennstoffzellensystems insbesondere vor einem Eintreten eines Fehlers zu überwachen, und insbesondere das Brennstoffzellenmodul und/oder Brennstoffzellensystem basierend auf dem Zustand eines Brennstoffzellenmoduls und/oder des Brennstoffzellensystems zu warten.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren zur Diagnose des Brennstoffzellensystems während eines regulären Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden kann, und somit ein unterbrechungsfreier Betrieb des Brennstoffzellensystems gewährleistet werden kann. In einer Ausführungsform wird das Verfahren autonom, insbesondere automatisch oder automatisiert, insbesondere ohne Personalaufwand, insbesondere als Eigendiagnoseverfahren durchgeführt. Besonders bevorzugt wird das Verfahren lokal innerhalb des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Alternativ wird das Verfahren vorzugsweise zumindest teilweise in einer externen Recheneinrichtung durchgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der erste Betriebswert und damit insbesondere der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls stationär ermittelt. Dazu wird der vorbestimmte Lastpunkt vorgegeben. Anschließend erfolgt vorzugsweise eine Einschwingphase des Brennstoffzellensystems, um den vorbestimmten Lastpunkt einzustellen, bevor der erste Betriebswert ermittelt wird. Zusätzlich wird vorzugsweise während der Ermittlung des ersten Betriebswertes der vorbestimmte Lastpunkt konstant gehalten, vorzugsweise nahezu konstant - insbesondere mit einer Abweichung von höchstens 10 %, vorzugsweise von höchstens 5 %.
Weiterhin erfolgt damit vorteilhafterweise eine Diagnose eines Brennstoffzellenmoduls und/oder des Brennstoffzellensystems und vorzugsweise ein Quervergleich zwischen einer Mehrzahl an Brennstoffzellenmodulen auf Systemebene.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre wird die Leistung unter Beachtung der Elussrichtung der elektrischen Energie betrachtet. Insbesondere ist eine positive Leistung einer Komponente eine Leistung, welche von der betrachteten Komponente - insbesondere einem Brennstoffzellenmodul der Mehrzahl an Brennstoffzellenmodulen, der Stromspeichervorrichtung oder einer externen Anlage - abgegeben wird, wobei die betrachtete Komponente Energie abgibt. Insbesondere ist eine negative Leistung der Komponente eine Leistung, welche an der Komponente - insbesondere der Stromspeichervorrichtung und der externen Anlage - erbracht wird, wobei die Komponente Energie aufnimmt.
Insbesondere ist die mindestens eine Stromspeichervorrichtung als unterbrechungsfreie Stromversorgung ausgebildet.
Vorzugsweise weist die mindestens eine Stromspeichervorrichtung mindestens ein Stromspeicherelement auf. Vorzugsweise weist die mindestens eine Stromspeichervorrichtung zusätzlich mindestens einen Inverter auf, der vorzugsweise zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und/oder zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom eingerichtet ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Inverter vorzugsweise als Gleichspannungswandler, insbesondere als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller, ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist der Inverter vorzugsweise eingerichtet, um eine erste Wechselspannung mit einer ersten Amplitude und einer ersten Frequenz in eine zweite Wechselspannung mit einer zweiten Amplitude und einer zweiten Frequenz zu wandeln, wobei die erste Amplitude und die zweite Amplitude und/oder die erste Frequenz und die zweite Frequenz verschieden sind.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Stromspeicherelement als Batterie ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das mindestens eine Stromspeicherelement als Kondensator oder Ultrakondensator ausgebildet.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre sind die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie, vorzugsweise mittels Oxidation eines Brennstoffs, insbesondere von Wasserstoff, eingerichtet. Somit sind die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule als Energiequellen ausgebildet. Vorzugsweise wird die elektrische Energie als Gleichstrom von den mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen insbesondere an die Stromspeichervorrichtung übertragen.
Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre ist die Anlagenleistung eine Leistung, welche in Summe durch alle mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen externen Anlagen von dem Brennstoffzellensystem angefordert wird oder von allen mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen externen Anlagen an das Brennstoffzellensystem übertragen wird. Alternativ ist die erfasste Anlagenleistung Null, sodass keine Leistung von dem Brennstoffzellensystem angefordert oder an das Brennstoffzellensystem übertragen wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist genau eine externe Anlage mit dem Brennstoffzellensystem verbunden, sodass die erfasste Anlagenleistung von der genau einen externen Anlage bestimmt wird. Alternativ ist vorzugsweise eine Mehrzahl an externen Anlagen mit dem Brennstoffzellensystem verbunden, sodass die erfasste Anlagenleistung von der Mehrzahl an externen Anlagen als Summe von Einzel- Anlagenleistungen der einzelnen externen Anlagen bestimmt wird. Die Einzel- Anlagenleistungen können dabei einzeln jeweils positiv oder negativ sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine externe Anlage ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Rechenzentrum, einem Krankenhaus, einer Industrieanlage, einem Verbrennungsmotor mit einem mit dem Verbrennungsmotor antriebswirkverbundenen Generator, einer Gasturbine mit einem mit der Gasturbine antriebswirkverbundenen Generator, und einer Anlage zur Bereitstellung von erneuerbarer Energie, insbesondere einer Photovoltaikanlage und/oder einer Windkraftanlage. Insbesondere sind das Rechenzentrum, das Krankenhaus und die Industrieanlage vorzugsweise als Energiesenken ausgebildet. Weiterhin sind insbesondere der Verbrennungsmotor mit dem antriebswirkverbundenen Generator, die Gasturbine mit dem antriebswirkverbundenen Generator und die Anlage zur Bereitstellung von erneuerbarer Energie vorzugsweise als Energiequellen ausgebildet und vorzugsweise eingerichtet, um elektrische Energie an das Brennstoffzellensystem, insbesondere an die Stromspeichervorrichtung, zu übertragen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Brennstoffzellenmodule jeweils mindestens einen Brennstoffzellenstapel, bevorzugt eine Mehrzahl an Brennstoffzellenstapel, eine Modulsteuervorrichtung und eine Modulversorgungsvorrichtung auf. Die Modulversorgungsvorrichtung weist insbesondere eine Brennstoffzuleitung, eine Oxidationsmittelzuleitung, eine Abluftableitung, eine Kühlmittelleitung und eine Energieweiterleitungsvorrichtung auf. Die Modulsteuervorrichtung ist vorzugsweise mit der Modulversorgungsvorrichtung wirkverbunden und eingerichtet zu deren Ansteuerung. Zusätzlich ist die Modulsteuervorrichtung vorzugsweise mit der Systemsteuervorrichtung wirkverbunden. Alternativ oder zusätzlich ist die Modulsteuervorrichtung insbesondere eingerichtet, um den vorbestimmten Lastpunkt des zugehörigen Brennstoffzellenmoduls einzustellen.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Brennstoffzellenmodule und die mindestens eine Stromspeichervorrichtung derart miteinander verbunden, dass ein Austausch von Energie, insbesondere von elektrischer Energie, durchgeführt werden kann. Insbesondere kann die von mindestens einem Brennstoffzellenmodul bereitgestellte elektrische Energie zur Speicherung an die mindestens eine Stromspeichervorrichtung geleitet werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Betriebswert ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Stromstärke-Spannungs- Wertepaar, welches insbesondere als Wert einer Stromstärke-Spannungs-Kennlinie bestimmt wird, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck, einer Drehzahl eines Turboladers, einem Regenerationszustand des ersten Brennstoffzellenmoduls, einer elektrischen Leitfähigkeit eines zur Kühlung des ersten Brennstoffzellenmoduls verwendeten Kühlmittels, einem Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellenmoduls und einer Brennstoff-Konzentration, insbesondere einer Wasserstoff-Konzentration, in einer Abluft des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist die Temperatur ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Brennstoff- Temperatur, insbesondere einer Wasserstoff-Temperatur, einer Oxidationsmittel-Temperatur, insbesondere einer Sauerstoff-Temperatur, einer Abluft-Temperatur, insbesondere einer Wasserdampf-Temperatur, und einer Kühlmittel-Temperatur des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Volumenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff- Volumenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Volumenstrom, einem Oxidationsmittel- Volumenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Volumenstrom, einem Abluft- Volumenstrom, insbesondere einem Wasserdampf- Volumenstrom, und einem Kühlmittel- Volumenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Massenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Massenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Massenstrom, einem Oxidationsmittel-Massenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Massenstrom, einem Abluft- Massenstrom, insbesondere einem Wasserdampf-Massenstrom, und einem Kühlmittel- Massenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Druck ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Druck, insbesondere einem Wasserstoff-Druck, einem Oxidationsmittel-Druck, insbesondere einem Sauerstoff-Druck, einem Abluft-Druck, insbesondere einem Wasserdampf-Druck, und einem Kühlmittel-Druck des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten eine Mehrzahl an Zuständen des ersten Brennstoffzellenmoduls stationär oder quasistationär oder dynamisch bestimmt wird.
Insbesondere wird eine quasistationäre Bestimmung der Mehrzahl an Zuständen für die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten realisiert, indem die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten zeitlich nacheinander derart eingestellt werden, dass zu jedem vorbestimmten Lastpunkt der Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten eine stationäre oder zumindest annähernd stationäre Bestimmung des jeweiligen Zustands des Brennstoffzellenmoduls möglich ist.
Vorteilhafterweise kann eine quasistationäre Stromstärke-Spannungs-Kennlinie auf eine Fehlfunktion des untersuchten Brennstoffzellenmoduls, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls, hinweisen.
Vorteilhafterweise wird bei einer dynamischen Abfolge der Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten und damit einer dynamischen Bestimmung der Mehrzahl an Zuständen des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls das Brennstoffzellensystem dynamisch angeregt. Damit ist es vorteilhafterweise möglich, eine Reaktion des Brennstoffzellensystems auf einen Lastwechsel, insbesondere ein Übertragungsverhalten des Brennstoffzellensystems, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule, zu bestimmen.
Insbesondere wird eine Sprungantwort einer Größe, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus der Spannung des Brennstofftzellensystems, der Stromstärke des Brennstoffzellensystems, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck und einer Drehzahl eines Turboladers, betrachtet, um das Übertragungsverhalten zu bestimmen.
Insbesondere ist die Temperatur ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Brennstoff- Temperatur, insbesondere einer Wasserstoff-Temperatur, einer Oxidationsmittel-Temperatur, insbesondere einer Sauerstoff-Temperatur, einer Abluft-Temperatur, insbesondere einer Wasserdampf-Temperatur, und einer Kühlmittel-Temperatur des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Volumenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff- Volumenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Volumenstrom, einem Oxidationsmittel- Volumenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Volumenstrom, einem Abluft- Volumenstrom, insbesondere einem Wasserdampf- Volumenstrom, und einem Kühlmittel- Volumenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Massenstrom ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Massenstrom, insbesondere einem Wasserstoff-Massenstrom, einem Oxidationsmittel-Massenstrom, insbesondere einem Sauerstoff-Massenstrom, einem Abluft- Massenstrom, insbesondere einem Wasserdampf-Massenstrom, und einem Kühlmittel- Massenstrom des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Insbesondere ist der Druck ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Brennstoff-Druck, insbesondere einem Wasserstoff-Druck, einem Oxidationsmittel-Druck, insbesondere einem Sauerstoff-Druck, einem Abluft-Druck, insbesondere einem Wasserdampf-Druck, und einem Kühlmittel-Druck des ersten Brennstoffzellenmoduls.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls ermittelt wird, indem der ermittelte erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls mit einem ermittelten zweiten Betriebswert des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenmoduls verglichen wird, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls basierend auf dem Vergleich ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich wird der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls ermittelt, indem der ermittelte erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls mit einem digitalen Zwillingsmodel des ersten Brennstoffzellenmoduls verglichen wird, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls basierend auf dem Vergleich ermittelt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der erste Betriebswert des ersten Brennstoffzellenmoduls mit dem zweiten Betriebswert des zweiten Brennstoffzellenmoduls verglichen, wobei vorzugsweise die den jeweiligen Betriebswerten zugehörigen Lastpunkte nahezu identisch sind, sodass ein zuverlässiger Vergleich der Betriebswerte möglich ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die insbesondere quasistationäre Stromstärke- Spannungs-Kennlinie des ersten Brennstoffzellenmoduls mit einer insbesondere quasistationären Stromstärke-Spannungs-Kennlinie des zweiten Brennstoffzellenmoduls verglichen. Insbesondere weisen Abweichungen in den jeweiligen zeitlichen Ableitungen, insbesondere in den Steigungen der Stromstärke-Spannungs-Kennlinien und/oder in den Krümmungen der Stromstärke- Spannungs-Kennlinien, auf ein fehlerhaftes Brennstoffzellenmodul hin.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das digitale Zwillingsmodell des ersten Brennstoffzellenmoduls anhand von gemittelten, insbesondere historischen Betriebsdaten des Brennstoffzellensystems und/oder des ersten Brennstoffzellenmoduls berechnet wird. Vorzugsweise wird das digitale Zwillingsmodell anhand der gemittelten, insbesondere historischen Betriebsdaten kontinuierlich, insbesondere über eine gesamte Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems aktualisiert. Alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise das digitale Zwillingsmodell mittels einer modellbasierten Fehleridentifikation weiterentwickelt, um insbesondere eine möglichst gute Fehlereingrenzung zu gewährleisten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten einen zeitlichen Lastverlauf bilden. Vorzugsweise wird der zeitliche Lastverlauf zusammengesetzt aus mindestens einer Eunktion, ausgewählt aus einer Sprungfunktion, einer Rechteckfunktion, einer linearen Eunktion, und einer Sinusfunktion, und/oder einer Überlagerung von mindestens zwei Eunktionen, insbesondere mindestens zwei Funktionen ausgewählt aus mindestens einer Sprungfunktion, mindestens einer Rechteckfunktion, mindestens einer linearen Funktion, und mindestens einer Sinusfunktion.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für eine vorbestimmte Anzahl an Brennstoffzellenmodulen, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul, der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule mindestens ein Zustand, vorzugsweise eine Mehrzahl an Zuständen, des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls iterativ ermittelt wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Systemsteuervorrichtung zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems geschaffen wird, wobei die Systemsteuervorrichtung eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Die Systemsteuervorrichtung ist vorzugsweise als Rechenvorrichtung, besonders bevorzugt als Computer, oder als Steuergerät insbesondere als Steuergerät eines Brennstoffzellensystems, ausgebildet. In Zusammenhang mit der Systemsteuervorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
Die Systemsteuervorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um mit den mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen und der mindestens einen Stromspeichervorrichtung wirkverbunden zu werden, und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung. Insbesondere ist die Systemsteuervorrichtung besonders bevorzugt eingerichtet, um mit den Modulsteuervorrichtungen der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule wirkverbunden zu werden, und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung. Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen, mindestens einer Stromspeichervorrichtung und einer erfindungsgemäßen Systemsteuervorrichtung oder einer Systemsteuervorrichtung nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird. In Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Systemsteuervorrichtung erläutert wurden.
Die Systemsteuervorrichtung ist bevorzugt mit den mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen und der mindestens einen Stromspeichervorrichtung wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung. Insbesondere ist die Systemsteuervorrichtung besonders bevorzugt mit den Modulsteuervorrichtung der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems,
Fig. 3 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems,
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems,
Fig. 5 ein Flussdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems, und
Fig. 6 ein Flussdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Systemsteuervorrichtung 3, ein erstes Brennstoffzellenmodul 5.1, ein zweites Brennstoffzellenmodul 5.2 und eine Stromspeichervorrichtung 7 auf. Jedes Brennstoffzellenmodul 5 der zwei Brennstoffzellenmodule 5 weist jeweils eine Modulsteuervorrichtung 9, insbesondere das erste Brennstoffzellenmodul 5.1 eine erste Modulsteuervorrichtung 9.1 und das zweite Brennstoffzellenmodul 5.2 eine zweite Modulsteuervorrichtung 9.2, jeweils einen Brennstoffzellenstapel 11, insbesondere das erste Brennstoffzellenmodul 5.1 einen ersten Brennstoffzellenstapel 11.1 und das zweite Brennstoffzellenmodul 5.2 einen zweiten Brennstoffzellenstapel 11.2, und jeweils eine Modulversorgungsvorrichtung 13, insbesondere das erste Brennstoffzellenmodul 5.1 eine erste Modulversorgungsvorrichtung 13.1 und das zweite Brennstoffzellenmodul 5.2 eine zweite Modulversorgungs Vorrichtung 13.2, auf.
Die Systemsteuervorrichtung 3 ist in nicht explizit dargestellter Weise mit den Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere den Modulsteuervorrichtungen 9, und der Stromspeichervorrichtung 7 wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die erste Modulsteuervorrichtung 9.1 ist in nicht explizit dargestellter Weise mit der ersten Modulversorgungs Vorrichtung 13.1 und vorzugsweise dem ersten Brennstoffzellenstapel 11.1 wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Die zweite Modulsteuervorrichtung 9.2 ist in nicht explizit dargestellter Weise mit der zweiten Modulversorgungs Vorrichtung 13.2 und vorzugsweise dem zweiten Brennstoffzellenstapel 11.2 wirkverbunden und eingerichtet zu deren jeweiliger Ansteuerung.
Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere die Brennstoffzellenmodule 5, insbesondere die Modulversorgungs Vorrichtungen 13, mit einem hier nicht dargestellten Brennstofftank oder einer Brennstoffleitung verbunden.
Alternativ oder zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 1 vorzugsweise mit mindestens einer externen Anlage 15 zur Übertragung von elektrischer Energie verbunden.
Optional ist das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere die Stromspeichervorrichtung 7, mit einer Einrichtung 17 zur Bereitstellung von erneuerbarer Energie, insbesondere einer Photovoltaikanlage und/oder einer Windkraftanlage, zur Übertragung von elektrischer Energie verbunden. Zusätzlich ist insbesondere die Systemsteuervorrichtung 3 eingerichtet, um vorzugsweise ein Verfahren zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1 nach einem oder mehreren der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele durchzuführen.
Figur 2 zeigt ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
In einem ersten Schritt S 1 wird ein Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - das erste Brennstoffzellenmodul 5.1, ausgewählt.
In einem zweiten Schritt S2 wird an dem ausgewählten Brennstoffzellenmodul 5, insbesondere dem ersten Brennstoffzellenmodul 5.1, ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt, wobei dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird.
In einem dritten Schritt S3 wird eine Anlagenleistung erfasst. Vorzugsweise wird die Anlagenleistung von der mindestens einer externen Anlage 15 oder einer Mehrzahl an externen Anlagen 15 vorgegeben.
Vorzugsweise werden der zweite Schritt S2 und der dritte Schritt S3 gleichzeitig durchgeführt. Alternativ wird vorzugsweise zeitlich zuerst der zweite Schritt S2 und zeitlich danach der dritte Schritt S3 durchgeführt. Alternativ wird vorzugsweise zeitlich zuerst der dritte Schritt S3 und zeitlich danach der zweite Schritt S2 durchgeführt.
In einem vierten Schritt S4 werden eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - an dem zweiten Brennstoffzellenmodul 5.2, und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung 7 derart eingestellt, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt. In einem fünften Schritt S5 wird mindestens ein erster Betriebswert des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt. Vorzugsweise ist der mindestens eine erste Betriebswert ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einem Stromstärke-Spannungs-Wertepaar, welches insbesondere als Wert einer Stromstärke-Spannungs-Kennlinie bestimmt wird, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck, einer Drehzahl eines Turboladers, einem Regenerationszustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, einer elektrischen Leitfähigkeit eines zur Kühlung des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere der ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, verwendeten Kühlmittels, einem Wirkungsgrad des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, und einer Wasserstoff-Konzentration in einer Abluft des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1.
In einem sechsten Schritt S6 wird anhand des mindestens einen ersten Betriebswerts ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, ermittelt.
Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Zusätzlich zu den Schritten S1 bis S6 aus Figur 2 wird, insbesondere vor der Ausführung des sechsten Schritts S6, in einem siebten Schritt S7 mindestens ein zweiter Betriebswert des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - des zweiten Brennstoffzellenmoduls 5.2, ermittelt.
Alternativ oder zusätzlich zu dem siebten Schritt S7 wird insbesondere vor dem siebten Schritt S7 in einem achten Schritt S8 ein digitales Zwillingsmodel des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, bereitgestellt. Vorzugsweise wird das digitale Zwillingsmodel des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, anhand von gemittelten, insbesondere historischen Betriebsdaten berechnet. In dem sechsten Schritt S6 wird dann der Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, basierend auf einem Vergleich des mindestens einen ersten Betriebswertes und des mindestens einen zweiten Betriebswertes ermittelt. Alternativ oder zusätzlich wird in dem sechsten Schritt S6 der Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5, insbesondere des ersten Brennstoffzellenmoduls 5.1, basierend auf einem Vergleich des mindestens einen ersten Betriebswertes mit dem digitalen Zwillingsmodell ermittelt.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
In dem ersten Schritt S 1 wird, analog zu dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 2 und dem zweiten Ausführungsbeispiel aus Figur 3, ein Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1 ausgewählt.
In einem neunten Schritt S9 wird vorzugsweise das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1 aus Figur 2, insbesondere die Schritte S2 bis S6, durchgeführt. Alternativ wird in dem neunten Schritt S9 vorzugsweise das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus Figur 3, insbesondere die Schritte S2 bis S7 und/oder die Schritte S2 bis S8, durchgeführt.
In einem zehnten Schritt S10 wird geprüft, ob für eine vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird das Verfahren in einem elften Schritt Si l beendet.
Falls die vorbestimmte Anzahl noch nicht erreicht ist, insbesondere nicht für jedes Brennstoffzellenmodul 5 mindestens ein Zustand ermittelt wurde, werden der erste Schritt Sl, der neunte Schritt S9 und der zehnte Schritt S10 für ein neues Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 erneut durchgeführt.
Vorzugsweise wird für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 iterativ bestimmt.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Das vierte Ausführungsbeispiel des Verfahrens unterscheidet sich von dem dritten Ausführungsbeispiel aus Figur 4 dadurch, dass nach dem neunten Schritt S9 in einem zwölften Schritt S12 geprüft wird, ob zu dem ausgewählten Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 aus dem ersten Schritt S1 für jeden vordefinierten Lastpunkt einer Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird das Verfahren in dem elften Schritt Si l beendet.
Falls nicht für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, werden der neunte Schritt S9 und der zwölfte Schritt S12 erneut durchgeführt.
Vorzugsweise wird - insbesondere mittels des vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens - für die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten jeweils ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 stationär oder quasistationär oder dynamisch bestimmt.
Zusätzlich bilden vorzugsweise die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten einen zeitlichen Lastverlauf. Insbesondere wird dieser zeitliche Lastverlauf vorzugsweise aus mindestens einer Funktion, ausgewählt aus einer Sprungfunktion, einer Rechteckfunktion, einer linearen Funktion, und einer Sinusfunktion, und/oder einer Überlagerung von mindestens zwei solchen Funktionen zusammengesetzt. Figur 6 zeigt ein Flussdiagramm eines fünften Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1.
Das fünfte Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorzugsweise eine Kombination des dritten Ausführungsbeispiels des Verfahrens aus Figur 4 und des vierten Ausführungsbeispiels des Verfahrens aus Figur 5. Vorzugsweise wird dabei insbesondere iterativ für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1, für jeden vorbestimmten Lastpunkt der Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt.
Insbesondere wird in dem ersten Schritt Sl, analog zu vorhergehenden Ausführungsbeispielen, ein Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1 ausgewählt.
In dem neunten Schritt S9 wird vorzugsweise das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Diagnose des Brennstoffzellensystems 1 aus Figur 2, insbesondere die Schritte S2 bis S6, durchgeführt. Alternativ wird in dem neunten Schritt S9 vorzugsweise das zweite Ausführungsbeispiel des Verfahrens aus Figur 3, insbesondere die Schritte S2 bis S7 und/oder die Schritte S2 bis S8, durchgeführt.
In dem zwölften Schritt S12 wird geprüft wird, ob zu dem ausgewählten Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 aus dem ersten Schritt Sl für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde.
Falls nicht für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, werden der neunte Schritt S9 und der zwölfte Schritt S12 erneut durchgeführt.
Falls für jeden vordefinierten Lastpunkt der Mehrzahl an vordefinierten Lastpunkten ein Zustand des ausgewählten Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird in dem zehnten Schritt S10 geprüft, ob für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde. Falls für die vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellenmodulen 5, insbesondere für jedes Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5, mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls 5 ermittelt wurde, wird das Verfahren in dem elften Schritt Si l beendet. Falls die vorbestimmte Anzahl noch nicht erreicht ist, insbesondere nicht für jedes Brennstoffzellenmodul 5 mindestens ein Zustand ermittelt wurde, werden der erste Schritt Sl, der neunte Schritt S9, der zwölfte Schritt S12 und der zehnte Schritt S10 für ein neues Brennstoffzellenmodul 5 der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule 5 erneut durchgeführt. Vorzugsweise wird insbesondere zusätzlich mindestens ein Ausführungsbeispiel, ausgewählt aus den Ausführungsbeispielen des Verfahrens aus Figur 2, Figur 3, Figur 4, Figur 5 und Figur 6, zyklisch, insbesondere nach einer vordefinierten Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems 1, wiederholt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Diagnose eines Brennstoffzellensystems (1), das mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5), mindestens eine Stromspeichervorrichtung (7) und eine Systemsteuervorrichtung (3) aufweist, wobei
- durch die Systemsteuervorrichtung (3) eine Anlagenleistung erfasst wird, wobei
- an dem ersten Brennstoffzellenmodul (5.1) ein vorbestimmter Lastpunkt eingestellt wird, wobei
- dem vorbestimmten Lastpunkt eine erste erste Leistung zugeordnet wird, wobei
- eine zweite erste Leistung an mindestens einem zweiten Brennstoffzellenmodul (5.2) der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5) und eine zweite Leistung an der mindestens einen Stromspeichervorrichtung (7) mittels der Systemsteuervorrichtung (3) derart eingestellt werden, dass eine Gesamtleistung als Summe der Mehrzahl an Leistungen und der erfassten Anlagenleistung Null ergibt, wobei
- mindestens ein erster Betriebs wert des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) bei dem vorbestimmten Lastpunkt ermittelt wird, wobei
- anhand des mindestens einen ermittelten ersten Betriebswerts ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine erste Betriebswert ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Stromstärke-Spannungs-Wertepaar, einer Temperatur, einem Volumenstrom, einem Massenstrom, einem Druck, einer Drehzahl eines Turboladers, einem Regenerationszustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1), einer elektrischen Leitfähigkeit eines Kühlmittels, einem Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1), und einer Wasserstoff-Konzentration in einer Abluft des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten jeweils ein Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) stationär oder quasistationär oder dynamisch bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) ermittelt wird, indem der mindestens eine ermittelte erste Betriebs wert des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) a) mit mindestens einem ermittelten zweiten Betriebswert des mindestens einen zweiten Brennstoffzellenmoduls (5.2) verglichen wird, und/oder b) mit einem digitalen Zwillingsmodel des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) verglichen wird, wobei der Zustand des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) basierend auf dem Vergleich ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das digitale Zwillingsmodel des ersten Brennstoffzellenmoduls (5.1) anhand von gemittelten Betriebsdaten berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl an vorbestimmten Lastpunkten einen zeitlichen Lastverlauf bilden, wobei vorzugsweise der zeitliche Lastverlauf aus mindestens einer Funktion, ausgewählt aus einer Sprungfunktion, einer Rechteckfunktion, einer linearen Funktion, und einer Sinusfunktion, und/oder einer Überlagerung von mindestens zwei Funktionen zusammengesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine vorbestimme Anzahl von Brennstoffzellenmodulen (5) der mindestens zwei Brennstoffzellenmodule (5) mindestens ein Zustand des jeweiligen Brennstoffzellenmoduls (5) iterativ ermittelt wird.
8. Systemsteuervorrichtung (3) zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens zwei Brennstoffzellenmodulen (5), mindestens einer Stromspeichervorrichtung (7) und einer Systemsteuervorrichtung (3) nach Anspruch 8.
PCT/EP2022/081023 2021-11-09 2022-11-07 Verfahren zur diagnose eines brennstoffzellensystems, systemsteuervorrichtung zur durchführung eines solchen verfahrens und brennstoffzellensystem mit einer solchen systemsteuervorrichtung WO2023083764A2 (de)

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