AT524169A1

AT524169A1 - Verfahren zur Erkennung wenigstens einer Stresssituation einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: AT524169A1
Application number: ATA50755/2020A
Authority: AT
Inventors: Bruhn Tanner; Dehne Dipl Ing Tomas (Fh)
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2020-09-08
Publication date: 2022-03-15
Also published as: CN116057740A; JP2023540870A; DE112021004720A5; WO2022051790A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung wenigstens einer Stresssituation (SS) einer Brennstoffzelle (100), aufweisend die folgenden Schritte: - Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters (BP) der Brennstoffzelle (100), -Vergleich des überwachten wenigstens einen Betriebsparameters (BP) mit Stressparametern (SP) einer Stressdatenbank (SD), - Zuordnung der überwachten Betriebsparameter (BP) zu einer Stresssituation (SS) aus der Stressdatenbank (SD) auf Basis des Vergleichs, - Ausgabe der zugeordneten Stresssituation (SS) mittels einem Ausgabemodul (50).

Description

Verfahren zur Erkennung wenigstens einer Stresssituation einer Brennstoffzelle

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung wenigstens einer Stresssituation einer Brennstoffzelle, eine Erkennungsvorrichtung für die Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Computerprogrammprodukt für die Durch-

führung eines solchen Verfahrens.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen in unterschiedlichen Betriebssituationen betrieben werden. Neben einem möglichst stationären Betrieb sind Anfahrphasen, Abschaltphasen oder Phasen mit geringer oder keiner Lastsituation sowie Phasen mit dynamischen Lastwechseln zu nennen. Je nach aktueller Betriebsphase stellen die entsprechenden Betriebsparameter unterschiedliche Belastungssituationen für die Brennstoffzelle dar. Bei bekannten Auslegungsmöglichkeiten werden die Brennstoffzellen in den unterschiedlichen Betriebssituationen auf Prüfständen betrieben. Der Betrieb auf dem Prüfstand erlaubt es, die Dauerbelastung einer Brennstoffzelle experimentell zu bestimmen und anschließend die einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle entsprechend der erkannten Belastung auszulegen sowie die Regelungskonzepte für den späteren Nutzungsbetrieb der Brennstoffzelle zu entwickeln. Dabei kann es sich um Komponenten der einzelnen Brennstoffzelle, beispielsweise deren Membran oder deren Katalysator, handeln und/oder um Komponenten eines Brennstoffzellensystems, beispielsweise dessen Kompressor oder dessen Befeuchtungs-

einheit.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass zwar eine Überwachung der Betriebsparameter einer Brennstoffzelle auf dem Prüfstand stattfindet, jedoch keinerlei zusätzliche Intelligenz hinsichtlich möglicher Beschädigungen der Brennstoffzelle überwacht werden kann. Vielmehr werden Brennstoffzellen beim Betrieb auf Prüfständen zumindest teilweise beschädigt, um eine Information über diese Beschädigung zu erhalten und im späteren Betrieb der Brennstoffzelle am Nutzungsort solche Beschädigungen zu erkennen und zu vermeiden oder hinauszuzögern. Der damit

einhergehende experimentelle Aufwand ist sehr hoch.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden

zu überwachen, um Beschädigungen zu reduzieren und/oder zu vermeiden.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Erkennungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets

wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient ein Verfahren dazu, eine Stresssituation einer Brennstoffzelle

zu erkennen. Ein solches Verfahren weist die folgenden Schritte auf: — Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle,

— Vergleich des überwachten wenigstens einen Betriebsparameters mit Stressparametern einer Stressdatenbank,

— Zuordnung der überwachten Betriebsparameter zu einer Stresssituation aus

der Stressdatenbank auf Basis des Vergleichs, — Ausgabe der zugeordneten Stresssituation mittels einem Ausgabemodul.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren basiert auf der bekannten Überwachung von Betriebsparametern einer Brennstoffzelle. Solche Betriebsparameter können zum Beispiel elektrische Betriebsparameter, wie der Stromfluss oder die entsprechende Betriebsspannung der Brennstoffzelle oder einzelner Brennstoffzellenmodule sein. Jedoch sind auch weitere Betriebsparameter, zum Beispiel Durchflussmengen der einzelnen Betriebsgase und/oder deren Gaszusammensetzungen, Temperaturen, Drücke oder Ähnliches als Betriebsparameter erfassbar. Grundsätzlich sind Betriebsparameter im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere direkt und/oder indirekt

an der Brennstoffzelle und/oder dem Brennstoffzellensystem messbare Größen.

gemäßen Verfahren zugrunde zu legen.

Während bei den bekannten Lösungen die erfassten Betriebsparameter in manueller Weise überwacht wurden, um anschließend an den Testlauf durch manuelle Analyse des Brennstoffzellensystems Rückschlüsse auf mögliche Beschädigungen der Brennstoffzelle beim Betrieb auf dem Prüfstand zu erhalten, basiert ein erfindungsgemäßes Verfahren auf der weiteren Verarbeitung dieser überwachten Betriebsparameter während des Testlaufs, also während dem Betrieb auf dem Prüfstand. Die überwachten Betriebsparameter werden nun in Beziehung gesetzt mit Stressparametern einer Stressdatenbank. Mit anderen Worten greift ein erfindungsgemäßes Verfahren auf eine Stressdatenbank zu, in welcher Korrelationen hinterlegt sind zwi-

schen Betriebssituationen und Stresssituationen.

Beispielsweise ist das Erreichen einer Leerlaufspannung als Ergebnis einer zu geringen Lastsituation (ldie-Mode) eine belastende Situation für eine Brennstoffzelle. Eine solche geringe Lastsituation kann auf Basis elektrischer Betriebsparameter, hier zum Beispiel der Leerlaufspannung, erkannt werden. Für die Erkennung dieser jeweiligen Belastungssituation werden die Betriebsparameter, hier der entsprechende niedrige elektrische Lastzustand, mit einem Stressparameter, hier einem entsprechenden Grenzwert für die elektrischen Betriebsparameter, verglichen. Überschreitet also bei diesem Beispiel der überwachte elektrische Betriebsparameter den Grenzwert des korrelierenden elektrischen Stressparameters, so wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dieser Betriebssituation aus der Stressdatenbank eine zugehörige Stresssituation zugeordnet. Unter einem Stressparameter ist im Sinne der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein Grenzwert für einen damit korrelierenden Betriebsparameter zu verstehen. Wird beispielsweise eine elektrische Spannung als Betriebsparameter erfasst, so kann der jeweils erfasste Spannungswert mit dem Grenzwert in

Form des Stressparameters verglichen werden. Somit ist eine Bewertung des erfass-

ten Betriebsparameters in Relation zu dem Stressparameter möglich. Ein Über-

schreiten des Grenzwertes kann dann die Zuordnung der Stresssituation auslösen,

während bei einem Einhalten des Grenzwertes die Zuordnung der Stresssituation un-

terbleibt. Somit wird es möglich Stresssituation automatisch auf Basis von gemesse-

nen Betriebsparametern zu erkennen und auszugeben.

Eine Stresssituation ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich jede Form von mechanischer, elektrischer, physikalischer, chemischer und/oder anderweitiger Belastung, welche oberhalb der normalen Belastung im normalen Regelbetrieb der Brennstoffzelle liegt. Beispielsweise kann eine Stresssituation eine physikalische Belastung der Membran in einer Brennstoffzelle sein. Liegt zum Beispiel ein Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Membran vor, so führt dieser Druckunterschied zu einer Verformung der Membran und damit zu einer physikalischen Stresssituation. Für den Fall, dass eine Stresssituation über eine gewisse Zeit beibehalten wird, können reversible und/oder irreversible Schäden der jeweils betroffenen Komponente folgen. Diese möglichen Schäden werden später noch mit Be-

zug auf die Schadensart und mit Bezug auf die Stresszeitspanne näher erläutert.

Dabei ist in der Stressdatenbank im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Vielzahl unterschiedlicher Stresssituationen hinterlegt. Das bedeutet, dass in der Stressdatenbank, beispielsweise in tabellarischer Form, für wenigstens eine Stresssituation zumindest ein Stressparameter gespeichert ist, welcher die Grenze zwischen normalem Betrieb und Stressbetrieb für diese spezifische Stresssituation darstellt. Somit geht durch den erfindungsgemäßen Vergleich des erfassten Betriebsparameters mit dem zumindest einen Stressparameter in der Stressdatenbank hervor, ob die jeweilige Stresssituation vorliegt oder nicht. Dabei kann es sich um eindimensionale aber auch um mehrdimensionale und/oder komplexe Zusammenhänge handeln. Betriebsparameter und/oder Stressparameter können dabei in der Stressdatenbank auch mehrfach an unterschiedlichen Stellen für unterschiedliche Stresssituationen gespeichert sein. Die Stresssituationen können sich auch auf einzelne Bestandteile der Brennstoffzelle beziehen. Beispielsweise können einzelne Stresssituationen eine übermäßige Belastung der Membran in der Brennstoffzelle darstellen. Eine übermäßige Belastung der Membran kann zum Beispiel zu einer mechanischen Beschädigung der Membran, einem Ausdünnen oder einer Risser-

zeugung in der Membran führen. Solche Stresssituationen können nun über die

erkannt und zugeordnet werden.

Eine weitere Möglichkeit einer Stresssituation ist beispielsweise die chemische und/oder physikalische Belastung von in der Brennstoffzelle angeordneten Katalysatormaterialien. So kann beispielsweise bei entsprechenden Betriebsparametern eine chemische Veränderung des Katalysators stattfinden, welche entweder reversibel oder irreversibel ist. Somit kann anhand der Betriebsparameter mit dem Vergleich mit Stressparametern eine Stresssituation zugeordnet werden, welche einer chemischen

Veränderungssituation des Katalysators entspricht.

Auf Basis der voranstehenden Erläuterung wird ersichtlich, dass unabhängig von den tatsächlich erfassten Betriebsparametern eine Vielzahl unterschiedlichster und auch voneinander unabhängiger Stresssituationen erkennbar wird. Darüber hinaus ist es jedoch zusätzlich möglich, wie dies später noch erläutert wird, dass auch eine Korrelation einzelner Stresssituationen untereinander, also Querbeziehungen zwischen Stresssituationen, Stressparametern und/oder Betriebsparametern, berücksichtigt wird. Beispielsweise ist es möglich, dass auf Basis eines Betriebsparameters und einem zugehörigen Stressparameter unterschiedliche Stresssituationen erkennbar sind. Sinkt beispielsweise die Betriebsspannung einer einzelnen Brennstoffzelle unter einen Mindestwert ab, so kann dies zum Vergleich mit zwei oder mehr entsprechenden Grenzwerten eines Stressparameters führen und damit auch zwei oder mehr Stresssituationen erkennbar werden lassen. Hier wird nochmals gut sichtbar, dass der erfindungsgemäße Kerngedanke insbesondere darin liegt, eine Korrelation zwischen einer Überwachung von Betriebsparametern und deren negativer Auswirkung auf die Brennstoffzelle zu erkennen und dem Benutzer des erfindungsgemäßen

Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Im Ergebnis wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren die zugeordnete Stresssituation ausgegeben. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen ist es nun nicht mehr notwendig, dass eine Brennstoffzelle zerstört oder willentlich beschädigt wird, wenn sie auf dem Prüfstand betrieben wird. Vielmehr reicht es aus, dass während des Betriebs auf dem Prüfstand durch die Zuordnung zu Stresssituationen diese auf Basis der erfassten Betriebsparameter erkennbar werden und dem Bedienpersonalprüf-

stand ausgegeben werden.

stoffzellen erarbeitet und für den Regelbetrieb implementiert werden.

Ebenfalls ist noch darauf hinzuweisen, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren grundsätzlich für jede Form von Brennstoffzellen geeignet ist. Insbesondere sind Brennstoffzellensysteme in SOFC-Bauform oder in PEM-Bauform für den Einsatz ei-

nes erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

Es bringt Vorteile mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die zugeordnete Stresssituation zusammen mit dem Vergleichsergebnis des Betriebsparameters und des Stressparameters mittels dem Ausgabemodul ausgegeben wird. Grundsätzlich reicht es aus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren im Ergebnis eine Information über eine Stresssituation, also beispielsweise ein aktuell aktives Beschädigungsszenario, enthalten ist. Für eine weitergehende Auswertung sind jedoch zusätzliche Informationen für das Bedienpersonal sehr sinnvoll. So ist beispielsweise die Korrelation zwischen dem aktuell gemessenen Betriebsparameter und dem entsprechenden Stressparameter in Form des auf diese Weise zur Verfügung gestellten Grenzwertes hilfreich. Somit kann nicht nur qualitativ das Vorhandensein einer definierten und zugewiesenen Stresssituation erkannt werden, sondern auch manuell oder automatisch eine quantitative Bewertung dieser Stresssituation erfolgen. So ist es beispielsweise bei einer solchen Ausführungsform erkennbar, ob ein Betriebsparameter den Grenzwert in Form des Stressparameters nur um eine sehr geringe Differenz überschreitet oder aber der entsprechende Grenzwert weit überschritten worden ist. Üblicherweise hängt bei vielen Stresssituationen der Grad der Überschreitung des Grenzwertes mit dem Grad der Beschädigungswirkung in einer solchen Einsatzsituation zusammen. Dies erlaubt es also nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ beim Betrieb einer Brennstoffzelle auf einem Prüfstand die entsprechenden Kontrollzusammenhänge mit den entsprechenden Stresssituationen noch besser und klarer zu erkennen. Dies wird insbesondere kombiniert mit einer Dauer der Grenzüberschreitung in Form einer Stresszeitspanne verwendet, wie dies später

noch erläutert wird.

miertes Kontrollsystem für den Regelbetrieb der Brennstoffzelle zu entwickeln.

Weiter zu erwähnen ist die Unabhängigkeit eines erfindungsgemäßen Verfahrens von der tatsächlichen Bauweise der Brennstoffzelle. So sind die Schädigungsmechanismen und damit die Korrelation zwischen Betriebsparametern, Stressparametern und Stressdatenbank vorzugsweise universell für unterschiedlichste Bauformen der Brennstoffzellen einsetzbar. Dies erlaubt es, ein erfindungsgemäßes Verfahren

ohne Adaption oder nur mit geringen Anpassungen einzelner Werte, auf unterschied-

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren mit der zugeordneten Stresssituation mittels dem Ausgabemodul eine Schadensart ausgegeben wird. Allgemein ist unter Schadensart die Art der Schädigung zu verstehen, zu welcher der Betrieb in einer Stresssituation führt. Dabei kann es sich um eine reversible und/oder um eine irreversible Schädigung handeln. Ist beispielsweise die Stresssituation mit einer Membranbelastung der Brennstoffzelle korreliert, so kann als Schadensart beispielsweise das Risiko der Delamination der Membran ausgegeben werden. Eine andere Schadensart bei einer erhöhten Belastung der Membran der Brennstoffzelle ist beispielsweise das Ausdünnen beziehungsweise das Entstehen von Rissen oder Durchbrüchen an der Membran. Somit kann der Stresssituation nicht nur die jeweilige unter Belastung stehende Baukomponente zugeordnet werden, sondern darüber hinaus auch die möglicherweise vorhandene Schadensart beziehungsweise die Schadensart, welche beim weiteren Betrieb in der vorliegenden Stresssituation mit hoher Wahrscheinlichkeit eintreten wird. Auch dies erlaubt es, eine noch größere Erkennungstiefe für das Bedienpersonal am Prüfstand zur Verfügung zu stellen. Somit sind insbesondere auch qualitative Risikobewertungen möglich, welche es dem Bedienpersonal erlauben, unterschiedliche Stresssituationen hinsichtlich der korrelierten Schadensart und dem damit einhergehenden Belastungsrisiko der Brennstoffzelle zu bewerten. Eine solche Schadensart kann auch als Fingerprint der Stresssituation bezeichnet werden. Eine solche Schadensart ist insbesondere eine messbare und/oder nachweisbare Schadensart und kann neben der bereits erläuterten Delamination des Katalysators oder dessen Ausdünnen auch in strukturellen Veränderungen in physikalischer und/oder chemischer Weise des KataIysators vorliegen. Auch wäre eine mögliche Schadensart die Erzeugung unerwünschter Gase in der Brennstoffzelle, die unerwünschte Erzeugung von Flüssigkei-

ten oder die Freigabe von unerwünschten Metallionen.

teile mit sich bringen.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Vergleich des Betriebsparameters, insbesondere in einem Vergleichsmodul, mit den Stressparametern quantitativ erfolgt. Neben einem grundsätzlichen Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes als Stressparameter führt dies dazu, dass in

quantitativer Weise die Auswirkung der Abweichung eine entsprechende Bestim-

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den.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Zuordnung zu einer Stresssituation, insbesondere in einem Zuordnungsmodul, wenigstens eine Querbeeinflussung zu einem weiteren Stressparameter und/oder einer weiteren Stresssituation berücksichtigt wird. Eine solche Querbeeinflussung kann auch als Querkorrelation zwischen Stresssituationen verstanden werden. Beispielsweise kann eine chemische Belastung des Katalysators zusätzlich auch eine chemische Belastung der Membran darstellen. Eine solche doppelte Belastung führt dazu, dass entsprechend aus einem Betriebsparameter, beispielsweise einem chemischen Konzentrationswert einer Gaskomponente, eine Korrelation zu zwei oder mehr Stresssituationen mit entsprechenden Schadensarten folgt. Weiter ist es möglich, dass diese Querbeeinflussung zueinander verstärkend eine Stresssituation der Brennstoffzelle erhöht. Jedoch ist es auch möglich, durch die Kombination der genannten Korrelationen in der gemeinsamen Stressdatenbank ausgleichend wirkende Stressmechanismen zu erkennen. So ist es beispielsweise denkbar, dass eine Schädigungssituation für eine Stresssituation eine Ausgleichswirkung auf eine andere Stresssituation zur Verfügung stellt. Solche hochkomplexen Zusammenhänge, basierend auf unterschiedlichsten Betriebssituationen der Brennstoffzelle, werden erst durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens erkennbar, da sie durch die Ausgabe der zugehörigen Stresssituation diese Korrelation für das Betriebspersonal des Prüfstandes zur Verfügung stellen. Es ergibt sich also ein komplettes Bild der aktuellen Lage der Stresssituation der Brennstoffzelle im Vergleich zu Einzelbetrachtungen gemäß bekannter manueller Verfahren.

Vorteile bringt des darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Schritte des Vergleichs und/oder der Zuordnung frei von einer Verwen-

dung eines neuronalen Netzwerkes sind. Insbesondere sind sie frei von der Verwen-

ningsdaten eingesetzt werden.

Ebenfalls kann es Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die Verfahrensschritte regelmäßig, insbesondere kontinuierlich, wiederholt werden. Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient vorzugsweise einer fortlaufenden Überwachung einer Brennstoffzelle, insbesondere auf einem Prüfstand. Dies erlaubt es, die Brennstoffzellen in unterschiedlichste Betriebssituationen zu bringen und auf dem Prüfstand entsprechend ein Abbild einer zukünftigen Regelbetriebsweise zu generieren. Dies wiederum erlaubt es, die Informationen aus dem Betrieb auf dem Prüfstand zu verwenden, um die einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle und aus regelungstechnischer Sicht die Kontrollmechanismen für den Regelbetrieb der

Brennstoffzelle in verbesserter Weise auszulegen.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Vergleich und/oder bei der Zuordnung der wenigstens eine Betriebsparameter und/oder der Stressparameter mit einem oder mehreren Gewichtungsfaktoren angepasst werden. Dies erlaubt es, das Ergebnis eines erfindungsgemäßen Verfahrens an unterschiedliche Einsatzsituationen anzupassen. Diese Anpassung mithilfe von Gewichtsfaktoren kann automatisch durch das Verfahren, beispielsweise auf Basis einzelner Betriebsparameter, erfolgen. Auch ist eine manuelle Anpassung durch das Bedienpersonal möglich. Die Auswirkung ist dabei in gleicher Weise anpassbar wie bei dem bereits beschriebenen Basisalgorithmus. Mit anderen Worten können auf diese Weise unterschiedliche Belastungssituationen nicht nur real am Prüfstand durch die entsprechende Anpassung des Betriebes, sondern auch auf Seite der Auswertung durch ein erfindungsgemäßes Verfahren durch entsprechend angepass-

te Gewichtungsfaktoren, zur Verfügung gestellt werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Erkennungsvorrichtung für eine Erkennung wenigstens einer Stresssituation einer Brennstoffzelle. Eine solche Erkennungsvorrichtung weist ein Überwachungsmodul für ein Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle auf. Weiter ist ein Vergleichsmodul für einen Vergleich des überwachten wenigstens einen Betriebsparameter mit Stressparametern einer Stressdatenbank vorgesehen. Die Erkennungsvorrichtung weist darüber hinaus ein Zuordnungsmodul auf für eine Zuordnung der überwachten Betriebsparameter zu einer Stresssituation aus der Stressdatenbank auf Basis des Vergleichs. Abschließend weist die Erkennungsvorrichtung noch ein Ausgabemodul für eine Ausgabe der zugeordneten Stresssituation auf. Das erfindungsgemäße Überwachungsmodul, das erfindungsgemäße Vergleichsmodul, das erfindungsgemäße Zuordnungsmodul und/oder das erfindungsgemäße Ausgabemodul sind dabei vorzugweise für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet. Die einzelnen Module können Teil einer separaten Prüfvorrichtung, beispielsweise unabhängig von der Brennstoffzelle oder eines Steuergerätes der Brennstoffzelle, sein oder aber auch in eine Brennstoffzelle in Form eines einzelnen Stacks oder eines ganzen Brennstoffzellensystem integriert sein, beispielsweise

in Form einer Integration eines Steuergerätes einer Brennstoffzelle.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Erkennungs-

vorrichtung das Überwachungsmodul eigene Sensorelemente separat von der

Brennstoffzelle aufweist. Das Überwachungsmodul ist also in der Lage, eigene Be-

triebsparameter aufzunehmen, welche von der Brennstoffzelle selbst noch nicht er-

fassbar sind. Eine solche Erkennungsvorrichtung wird insbesondere an einem Prüf-

stand für die Brennstoffzelle eingesetzt.

Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtung das Überwachungsmodul wenigstens ein Sensorelement als Teil der Brennstoffzelle aufweist. Dies erlaubt es, auf Sensoren der Brennstoffzelle zurückzugreifen, sodass die Erkennungsvorrichtung kostengünstiger und einfacher ausgestaltet werden kann. Insbesondere bei der Erfassung von Betriebsparametern in schwer zugänglichen Abschnitten der Brennstoffzelle wird es auf diese Weise möglich, auch solche Betriebsparameter bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zu berücksichti-

gen.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Ver-

fahren erläutert worden sind.

Die Erkennungsvorrichtung kann mit Vorteil in einem Seriensteuergerät, beispiels-

weise eines Fahrzeuges, integriert sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Fig. 1 eine

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

14 Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 5 eine Darstellung eines Verlaufs einer Stresssituation, Fig. 6 die Kombination von unterschiedlichen Betriebsparametern und Fig. 7 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtung.

In Figur 1 ist schematisch der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Hier ist in schematischer Weise eine Brennstoffzelle 100 vorgesehen. Dabei kann es sich um eine einzelne Brennstoffzelle, einen Brennstoffzellenstack oder ein ganzes Brennstoffzellensystem handeln. Mithilfe von einzelnen Sensorelementen 22 ist es möglich, Betriebsparameter BP für die aktuelle Betriebssituation der Brennstoffzelle 100 zu erfassen. Solche Betriebsparameter BP können insbesondere elektrische Betriebsparameter BP, chemische Betriebsparameter BP und/oder physikalische Betriebsparameter BP sein. Die Sensorelemente 22 können dabei Teil der

Brennstoffzelle 100 oder aber Teil einer separaten Erkennungsvorrichtung 10 sein.

Die überwachten und erfassten Betriebsparameter BP werden nun der Erkennungsvorrichtung 10 zugeführt. Insbesondere in tabellarischer Weise oder in Form von Modellen oder neuronaler Netze ist eine Stressdatenbank SD vorhanden, in welcher Korrelationen zwischen Betriebsparametern BP, Stressparametern SP und Stresssituationen SS erkannt werden können. Die erfassten Betriebsparameter BP werden nun mit den Stressparametern SP in Korrelation gebracht. Die Stressparameter SP stellen dabei vorzugsweise Grenzwerte dar, bei deren Unterschreiten oder Überschreiten eine Stresssituation SS als vorhanden korreliert wird. Somit wird vorzugsweise für jeden Betriebsparameter BP zumindest ein Vergleich mit zumindest einem Stressparameter SP durchgeführt. Jedoch kann es auch Vorteile mit sich bringen, wenn zwei oder mehr Betriebsparameter BP mit entsprechenden korrelierenden zwei oder mehr Stressparametern SP verglichen werden, um auf diese Weise auch komplexere Zusammenhänge mit einer oder mehreren Stresssituationen SS in Verbin-

dung zu bringen.

Im Ergebnis der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Figur 1 wird nun eine Stresssituation SS ausgegeben, sodass insbesondere in informativer

Weise das Bedienpersonal eines Prüfstandes für die Brennstoffzelle 100 nicht nur

Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier wird zusätzlich zur Stresssituation SS noch die Korrelation zwischen dem jeweiligen Betriebsparameter BP und dem zugehörigen Stressparameter SP ausgegeben. Insbesondere wird hier auch der quantitative Unterschied zwischen dem erfassten Betriebsparameter BP oder dem zugehörigen Stressparameter SP ausgegeben. Dies erlaubt es, nicht nur das grundsätzliche Vorhandensein der Stresssituation SS zu erkennen, sondern darüber hinaus auch noch die quantitative Korrelation, also den Grad der

Überschreitung des zugehörigen Stressparameters darzustellen.

Im Verfahren gemäß Figur 3 wird zusätzlich zur Stresssituation SS eine Kontrollempfehlung KE ausgegeben. Diese Kontrollempfehlung KE kann nur ausgegeben werden, um als informativer Charakter dem Bedienpersonal zusätzliche Informationen zu liefern. Jedoch ist auch eine Rückkopplung der Kontrollempfehlung KE in den aktuellen Kontrollmechanismus der Brennstoffzelle 100 möglich, um insbesondere die erkannte Stresssituation SS zu beheben oder deren Auswirkung zumindest zu reduzie-

ren.

In Figur 4 erfolgt als zusätzliche Ausgabe zur Stresssituation SS eine Schadensart SA. Wie bereits erläutert worden ist, kann eine Stresssituation SS zu unterschiedlichen Schadensarten SA führen. Beispielsweise kann ein erhöhter Innendruck eine mechanische Schädigung der Membran zur Verfügung stellen. Es handelt sich also um eine Stresssituation SS der Membran mit der Schadensart SA des Risses durch Überdruck. Eine weitere Stresssituation SS für die Membran ist beispielsweise die Belastung durch chemische Einflüsse, welche zum Ausdünnen der Membran führen kann. Ein solches Ausdünnen würde im Extremfall ebenfalls zu Rissen oder zu Löchern in der Membran führen, jedoch hier in einer anderen Schadensart SA als beim

Platzen durch Überdruck.

führt haben könnte.

Figur 6 zeigt, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch komplexere Zusammenhänge berücksichtigen kann. So ist beispielsweise die Kombination von zwei Betriebsparametern BP mit jeweils einem korrelierenden Stressparameter SP möglich. Auch ist eine Querbeeinflussung QB möglich, sodass ein- und derselbe Betriebsparameter BP zum Beispiel mit zwei unterschiedlichen Grenzwerten für unterschiedliche Stressparameter SP verglichen werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass zwei Betriebsparameter BP und der jeweilige Vergleich mit dem spezifisch zugehörigen Stressparameter SP zu einer Stresssituation SS kombiniert werden. Diese eine Stresssituation SS kann nun ebenfalls eine Querbeeinflussung QB

zu einer anderen Stresssituation SS aufweisen.

Die Figur 7 zeigt schematisch nochmals den Aufbau einer erfindungsgemäßen Erkennungsvorrichtung 10. Diese ist mit einem Überwachungsmodul 20 ausgestattet, dass mithilfe von einem oder mehreren Sensorelementen 22 die Betriebsparameter BP erfassen und überwachen kann. Anschließend erfolgt im Vergleichsmodul 30 der bereits erläuterte Vergleich der Betriebsparameter BP mit den Stressparameter SP in der Stressdatenbank SD. Mithilfe des Zuordnungsmoduls 40 kann aus der Stressdatenbank SD die Stresssituation SS zugewiesen und anschließend über das Ausgabemodul 50 ausgegeben werden. Die einzelnen Abläufe sind dabei identisch, wie sie

mit Bezug zu den vorherigen Figuren erläutert worden sind. Eine solche Erken-

ausgebildet und auf einem entsprechenden Computer implementiert.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelIne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander

kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Erkennungsvorrichtung 20 Überwachungsmodul 22 Sensorelement

30 Vergleichsmodul

40 Zuordnungsmodul

50 Ausgabemodul

100 Brennstoffzelle

SS _Stresssituation

SA Schadensart

SZ Stresszeitspanne BP Betriebsparameter SP Stressparameter SD Stressdatenbank KE —Kontrollempfehlung

QB AQuerbeeinflussung

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erkennung wenigstens einer Stresssituation (SS) einer Brennstoffzelle (100), aufweisend die folgenden Schritte:

— Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters (BP) der Brennstoffzelle (100),

— Vergleich des überwachten wenigstens einen Betriebsparameters (BP)

mit Stressparametern (SP) einer Stressdatenbank (SD),

— Zuordnung der überwachten Betriebsparameter (BP) zu einer Stresssi-

tuation (SS) aus der Stressdatenbank (SD) auf Basis des Vergleichs,

— Ausgabe der zugeordneten Stresssituation (SS) mittels einem Ausgabemodul (50).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordnete Stresssituation (SS) zusammen mit dem Vergleichsergebnis des Betriebsparameters (BP) und des Stressparameters (SP) mittels dem Ausgabemodul

(50) ausgegeben wird.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur zugeordneten Stresssituation (SS) zumindest eine Kontrollempfehlung (KE) mittels dem Ausgabemodul (50) ausgegeben wird, um die

Stresssituation (SS) zu beseitigen und/oder zu reduzieren.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der zugeordneten Stresssituation (SS) mittels dem Ausgabemodul (50) eine Schadensart (SA) ausgegeben wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stresszeitspanne (SZ), insbesondere mittels dem Überwachungsmodul (20), erfasst wird, in welcher sich die Brennstoffzelle (100) in

wenigstens einer Stresssituation (SS) befindet.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

zeichnet, dass der Vergleich des Betriebsparameters (BP), insbesondere in

folgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zuordnung zu einer Stresssituation (SS), insbesondere in einem Zuordnungsmodul (50), wenigstens eine Querbeeinflussung (QB) zu einem weiteren Stressparameter (SP) und/oder einer weiteren Stresssituation (SS) berücksichtigt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Vergleichs und/oder der Zuordnung frei von

einer Verwendung eines neuronalen Netzwerks sind.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte regelmäßig, insbesondere kontinuier-

lich, wiederholt werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich und/oder bei der Zuordnung der wenigstens eine Betriebsparameter (BP) und/oder der Stressparameter (SP) mit einem oder mehreren Gewichtungsfaktoren angepasst werden.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung wenigstens eines Schadens an der Brennstoffzelle (100) erfolgt, wobei ein Vergleich des bestimmten Schadens mit der ausgegebenen Stresssituation (S) und eine Anpassung der Stressdatenbank (SD) erfolgt.

12. Erkennungsvorrichtung (10) für eine Erkennung wenigstens einer Stresssituation (SS) einer Brennstoffzelle (100), aufweisend ein Überwachungsmodul (20) für ein Überwachen wenigstens eines Betriebsparameters (BP) der Brennstoffzelle (100), ein Vergleichsmodul (30) für einen Vergleich des überwachten wenigstens einen Betriebsparameters (BP) mit Stressparametern (SP) einer Stressdatenbank (SD), ein Zuordnungsmodul (40) für eine Zuordnung der überwachten Betriebsparameter (BP) zu einer Stresssituation (SS) aus der Stressdatenbank (SD) auf Basis des Vergleichs und ein Ausgabemodul (50) für eine Ausgabe der zugeordneten Stresssituation (SS).

13. Erkennungsvorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (20) eigene Sensorelemente (22) separat von

der Brennstoffzelle (100) aufweist.

14. Erkennungsvorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungsmodul (20) wenigstens ein Sensorelement (22) als

Teil der Brennstoffzelle (100) aufweist.

15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines Ver-

fahren mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 durchzuführen.