DE102010038602B4

DE102010038602B4 - Brennstoffzellenanlage, Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage und Verfahren zur Detektion von Degradationsmechanismen

Info

Publication number: DE102010038602B4
Application number: DE102010038602.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Eschenbach Max
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Eschenbach Technologie Ug (haftungsbeschraenkt De
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: DE102010038602A1

Abstract

Brennstoffzellenanlage mit mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (2) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem elektrischen Speicher zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie, mit Messeinrichtungen und/oder Sensoren zur Messung von Betriebsparametern der Brennstoffzelleneinheit (2) und mit einem elektrischen Verbraucher, wobei die Brennstoffzelleneinheit (2) mit einer Diagnoseeinheit gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diagnoseeinheit ein ortsaufgelöstes, detailliertes physikalisches Modell zur Ermittlung physikalischer Zustände in der Brennstoffzelleneinheit (2) auf Basis der detektierten Betriebsparameter abgelegt ist, und die Diagnoseeinheit zur Durchführung einer internen Fehleranalyse und/oder zur ortsaufgelösten Erkennung von Degradationen und/oder zur Abschätzung von Degradationswahrscheinlichkeiten innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (2) eine kontinuierliche Überwachung der physikalischen Zustände in der Brennstoffzelleneinheit (2) vornimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Eine solche Brennstoffzellenanlage ist beispielsweise aus dem Dokument DE 10 2005 000 611 A1 bekannt. Diese verfügt über ein elektrisches Energiemanagement, das den Zustand einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks bezüglich Dynamik, Leistungsfähigkeit, Degradation und/oder Mindestspannung überwacht.
Um die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlage sicherzustellen, werden Informationen über die Degradation und die Dynamik einer Gaserzeugungseinheit der Brennstoffzellenanlage abgefragt. Dazu ist in der Brennstoffzellenanlage eine Diagnoseeinheit vorgesehen, welches zur intelligenten Steuerung des Systems mittels eines vereinfachten kennlinienbasierten mathematischen Modell (0-D-Modell) Kennwerte ermittelt. Dazu greift die Diagnoseeinheit in bestimmten Zeitabständen aktiv in den Betrieb der Brennstoffzellenanlage ein, um während einer kurzen Diagnosephase Systemparameter für das kennlinienbasierte, mathematische Modell abzufragen. Um eine Prognose der Degradation der einzelnen Brennstoffzellen bzw. der einzelnen Brennstoffzellenstacks zu treffen, wird durch die ermittelten Systemparameter eine Abschätzung der integralen Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle im Hinblick auf systemgegebene kennlinienbasierte Betriebsgrenzen durchgeführt.
Mit anderen Worten werden mit Hilfe des mathematischen Modells Modellausgangsgrößen für die Spannung innerhalb der Brennstoffzellenanlage berechnet und mit den gemessenen Größen entsprechend verglichen. Aus den gegebenenfalls vorhandenen Unterschieden werden verbesserte bzw. veränderte Modellparameter abgeleitet.
Der Betrieb der Brennstoffzellenanlage wird entsprechend dem Ergebnis des Abgleichs fortgesetzt, oder es werden lebensdauerverlängernde Änderungen des Betriebs der Brennstoffzellenanlage durch eine Steuereinheit in die Wege geleitet.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das offenbarte Brennstoffzellensystem in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug für die Steuergeräteprogrammierung regelungsorientierte, nicht-physikalische Modelle nutzt, um die zu erwartende elektrische Leistung der Brennstoffzelle zu modulieren und die Systemkomponenten entsprechend aktiv zu steuern. Da eine Änderung der Betriebsart der Brennstoffzelle abhängig von dieser Prognose innerhalb von Sekundenbruchteilen getroffen und zur Fehlervermeidung auf geänderte Betriebsbedingungen oder Leistungsanforderungen umgehend reagiert werden muss, sind die Rechen-Modelle möglichst einfach zu wählen, um mit ihnen möglichst kurze Rechenzeiten zu realisieren. Durch die hohen Anforderungen an die Rechengeschwindigkeit der Modelle kommen mathematische 0-D-Modelle zum Einsatz. Mit diesen können jedoch keine Aussagen über physikalische Zustände und Zustandsänderungen innerhalb der Brennstoffzelle getroffen werden. Somit können auch die Auswirkungen einzelner Betriebszustände nicht direkt auf physikalische Prozesse in der Brennstoffzelle rückgekoppelt werden, was eine Bestimmung der Degradation oder einer Degradationswahrscheinlichkeit nur sehr ungenau und oberflächlich zulässt.
Die DE 103 34 556 A1 offenbart ferner eine Brennstoffzellenanlage und ein Steuerungssystem für diese. Das Steuerungssystem umfasst eine Messeinrichtung, welche die Temperatur und Ausgangsspannungen von individuellen Zellen erfasst. Auf der Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und Temperaturen wird die Brennstoffzellenanordnung dann optimiert gesteuert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage bereitzustellen, die eine zuverlässigere Erkennung und/oder Abschätzung von Degradation innerhalb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Mit anderen Worten wird eine Quantifizierung physikalischer Degradationsmechanismen durch kontinuierliche Überwachung der Prozesse und Zustände innerhalb der Brennstoffzelleneinheit möglich. Durch kontinuierliche Erfassung bestimmter physikalischer Größen können auch Einflüsse besonderer Betriebsbedingungen auf die Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer der Brennstoffzelle aufgezeigt und berücksichtigt werden. Auch der Ort des Auftretens oder der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Degradation kann wesentlich genauer und zuverlässiger bestimmt und Faktoren wie beispielsweise der Zustand in der Membran lokal aufgelöst werden.
Die lokale Auflösung ermöglicht, Aussagen über unterschiedliches Verhalten verschiedener Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstacks zu treffen, welcher zusammen mit der Gasversorgung eine Brennstoffzelleneinheit bilden kann.
Ferner kann mittels der aufgelösten Aussage eines Auftretens von Degradationsmechanismen oder leistungsreduzierende Einflüsse auf einfache Weise an einem Brennstoffzellen-Fahrzeug gezielte Wartungs- und Reparaturarbeiten durchgeführt werden. Es ist nicht mehr notwendig, ganze Brennstoffzelleneinheiten beim Auftreten eines Problems auszutauschen. Statt dessen kann von der Diagnoseeinheit unmittelbar die Information abgegriffen werden, wo in der Brennstoffzelleneinheit eine Degradation oder ein Leistungsabfall aufgetreten ist oder wo eine Degradation mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit in den nächsten Betriebsstunden auftreten wird. Dabei kann erfindungsgemäß eine Differenzierung zwischen Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstack, Brennstoffzelleneinheit und deren Gasversorgung erfolgen. Ein entsprechender Austausch kann vom Nutzer anschließend in die Wege geleitet werden.
Durch die direkte Weiterverarbeitung der Betriebsdaten von Zuständen beispielsweise in der Membran der Brennstoffzelleneinheit, dem eigentlichen Herzstück der Brennstoffzelleneinheit, kann somit für die Versagensmechanismen und Fehlersuche auf eine Speicherung aller Betriebszustände des Systems verzichtet werden, da diese direkt zu den zu erwartenden Fehlermechanismen weiterverarbeitet werden können und beispielsweise online einer Regelungsstrategie zur Verfügung gestellt werden. Bei einer nachträglichen Wartung des Fahrzeugs können diese aus dem Speicher abgerufen und zu Reparaturzwecken weiterverwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Überwachung physikalischer Zustände in der Brennstoffzelleneinheit einen Befeuchtungszustand einer Membran und von Elektroden der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Stickstoffanreicherung einer Anode der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Ausdünnung der Membran der Brennstoffzelleneinheit.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage sieht vor, dass die Diagnoseeinheit zur Ermittlung der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit auf Messeinrichtungen und/oder Sensoren zugreift, die von der Brennstoffzellenanlage auch zur Parameterermittlung und Steuerung weiterer Komponenten der Brennstoffzellenanlage nutzbar sind. So ist es beispielsweise auch möglich, bestehende Systeme mit einer erfindungsgemäßen Diagnoseeinheit nachzurüsten.
Um eine besonders zuverlässige Auswertung der detektierten physikalischen Eingangsgrößen zu ermöglichen, ist in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das ortsaufgelöste, detaillierte physikalische Modell zur Berechnung von Degradationsmerkmalen auf Basis der ermittelten physikalischen Zustände und/oder zur Speicherung der physikalischen Zustände innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet.
Das physikalische Modell kann ein dreidimensionales Modell sein. Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeuges sein.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen physikalischen 3D-Modells sei beispielhaft der Einfluss auf die Membrandegradation beschrieben. Die chemische Degradation einer solchen Membran wird im Wesentlichen durch eine Kombination von OH-Radikalbildung über die Fentonsche Gleichung und einen Radikalmechanismus einer Seitenkettenverschiebung beschrieben. An den Elektroden wird ein Modell einer Beschreibung der Wasserstoffoxidationsreaktion, der Sauerstoffreduktionsreaktion und der Wasserstoffperoxidbildungsreaktion an der anodischen Seite verbunden. So kann die Zellspannungsdegradation als Reaktion auf die strukturelle Entwicklung der Polymerelektrolytmembran insbesondere deren Ausdünnung vorhergesagt werden.
Diese Ausdünnung der Membran, führt wiederum zu einer verstärktem Gaspermeation durch die Membran. Da der Gasdurchtritt durch die Membran temperatur- und befeuchtungsabhängig ist, können lokale Unterschiede im Grad der Ausdünnung entstehen. Durch die Gradienten in der Membrandicke kann sich auch die Reaktionsverteilung entlang des Gaskanals verändern. Im Modell wird für jeden berechneten Zeitschritt das Berechnungsgebiet der Membran entsprechend angepasst und in der weiteren Berechnung berücksichtigt.
Somit erfolgt die ortsaufgelöste Modellierung über mehrere, inhomogen angeströmte 1 + 1D Modelle, die lokal an den Reaktionsschichten einen hohen Detaillierungsgrad aufweisen und Stackeffekte über unterschiedliche Randbedingungen der Medienzufuhr berücksichtigen. Hierfür werden die aktuellen Betriebszustände der Systemkomponenten (Luftversorgung, Brennstoffzufuhr, Thermomanagement), die dem Brennstoffzellenstack Medien zuführen, vom Steuergerät des Systems an die ortsaufgelösten Modelle, insbesondere 3D-Modelle übergeben.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Diagnoseeinheit ein Fehlersignal erzeugt, wenn mindestens ein in der Diagnoseeinheit abgelegter Grenzwert mindestens eines physikalischen Zustands der Brennstoffzelleneinheit oder ein in der Diagnoseeinheit abgelegter Schweregrad eines Fehlers oder einer Abweichung erreicht bzw. überschritten wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass beispielsweise ein verstärkter Verschleiß aufgrund eines in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstack auftretenden Degradationsmechanismus zu einem vollständigen Versagen der Brennstoffzellenanlage führt.
Um eine möglichst einfache Ortung des fehlerhaften Abschnitts der Brennstoffzelleneinheit zu ermöglichen, enthält das Fehlersignal in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung Informationen bezüglich des Ortes des Auftretens und der Fehlerart.
Wenn ein von der Diagnoseeinheit ausgegebenes Fehlersignal ein in der Brennstoffzellenanlage vorgesehenes Wartungssignal aktiviert und/oder zur Vermeidung eines totalen Versagens die betroffene Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit von der Brennstoffzellenanlage temporär oder dauerhaft entkoppelt, muss ein Nutzer der Brennstoffzellenanlage allenfalls eine kurzzeitige Leistungseinbuße seiner Brennstoffzellenanlage in Kauf nehmen und wird gleichzeitig über einen entsprechenden Fehler informiert. Der Fehler kann dann durch einfaches Abfragen des Ortes des Auftreten beispielsweise in einer Werkstatt behoben werden.
Um den Betrieb der Brennstoffzellenanlage möglichst unbeeinflusst von der kontinuierlichen Überwachung der physikalischen Zustände in der Brennstoffzelleneinheit belassen zu können, ist einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Diagnoseeinheit von der Steuerung der Brennstoffzellenanlage derart entkoppelt, dass eine kontinuierliche Abfrage der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine detaillierte physikalische Betrachtung der Brennstoffzelleneinheit ohne unmittelbaren Eingriff in einen Betriebszustand der Brennstoffzellenanlage durchführbar ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von Degradationsmechanismen in einer Brennstoffzellenanlage, die mindestens eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst, welche mit einer Diagnoseeinheit gekoppelt ist, einen elektrischen Speicher zur Speicherung oder Abgabe elektrischer Energie aufweist, sowie einen elektrischen Verbraucher, insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeuges, umfasst folgende Schritte:

– Detektieren physikalischer Zustände in der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit durch ein in der Diagnoseeinheit vorgesehenes Diagnosemodul;
– Berechnen von degradations- oder leistungsspezifischen Kenngrößen der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit auf Basis der detektierten physikalischen Werte mittels eines ortsaufgelösten, detaillierten, physikalischen Modells;
– Vergleichen der durch die Berechnung erhaltenen Kenngrößen mit in dem Diagnosemodul abgelegten Grenzwerten, wobei bei Erreichen eines Grenzwertes ein Fehlersignal von dem Diagnosemodul erzeugt und an ein Steuergerät der Brennstoffzellenanlage zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird.

Um eine Schädigung des Gesamtsystems der Brennstoffzellenanlage oder auch nur Teilbereiche davon zu vermeiden, kann das Verfahren ferner den Schritt umfassen, dass das Steuergerät bei Erhalt eines Fehlersignals von der Diagnoseeinheit die betroffene Brennstoffzelleneinheit vom Gesamtsystem abkapselt oder der betroffene Bereich überbrückt. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgend genauer beschriebene Zeichnung verwiesen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks;
2 eine schematische Medienverteilerstruktur innerhalb einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstacks gemäß 1 mit einem Berechnungsgebiet.
Nachfolgend wird das Prinzip der Brennstoffanlage sowie das dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von Degradationsmechanismen in einer Brennstoffzellenanlage zugrundeliegende Modell näher erläutert.
Eine der Hauptschwierigkeiten der Verwendung von Niedertemperaturbrennstoffzellen wie beispielsweise PEFC-Brennstoffzellen in Fahrzeugen ist deren beschränkte Lebensdauer. Dabei wird ein Leistungsabfall der Brennstoffzelle einer Vielzahl von chemischen Effekten geschuldet, beispielsweise Korrosion, Oxidation oder eine Vergiftung der Zelle durch lokale Absorption von Verunreinigung oder mechanische und chemische Degradation. Alle diese Phänomene wirken zur gleichen Zeit während des Betriebs auf die Brennstoffzellen. Da diese auch stark von den Betriebsbedingungen und Materialien abhängen, ist es relativ schwierig, den Einfluss der einzelnen Störfaktoren auf die Verringerung des Brennstoffzellenpotentials über die Zeit abzuschätzen.
Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen physikalischen 3D-Modells wird nunmehr beispielhaft der Einfluss auf die Membrandegradation beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstacks 1. Der Brennstoffzellenstack 1 besteht aus sich wiederholenden Brennstoffzelleneinheiten (Zellen) 2, die gleichzeitig die Führung von dem gesamten Stack 1 zugeführten Medienflüsse 3 übernehmen.
Die Medienflüsse 3, die dem Brennstoffzellenstack 1 zugeführt werden (Luftversorgung, Brennstoff, Kühlmedium) werden entsprechend der Führung innerhalb des spezifischen Brennstoffzellenstacks 1 auf repräsentative Einzelzellen 2 aufgeteilt. Es werden somit nicht alle Brennstoffzelleneinheiten 2 des Brennstoffzellenstacks 1 modelliert. Mögliche inhomogene Medienverteilungen können berücksichtigt und Effekte, die durch die spezifische Stackbauweise entstehen, erfasst werden.
Wie in 2 zu sehen, werden die Brennstoffzelleneinheiten 2 über 1 + 1D Kanalmodelle abgebildet. Hierbei wird die Kanalstruktur 4 der Medienverteilerstrukturen 3 in einfachere, gerade Kanäle 5 überführt. Entlang dieser reduzierten Geometrie wird hinreichend genau segmentiert und auch die Degradation in Folge die Reaktionsabläufe entlang des Gaskanales 5 modelliert. Innerhalb eines solchen Segmentes entlang des Gaskanals 5 wird der Transport im Gaskanal 5, die Diffusion in der Gasdiffusionsschicht (Backing) hin zur Reaktionsschicht, eine durch die Reaktion entstehenden Spezies sowie eine durch die Membran diffundierende Spezies berechnet. Dies wird am Beispiel der Membranausdünnung im Folgenden näher erläutert.
Die chemische Degradation einer solchen Membran wird im Wesentlichen durch eine Kombination von OH-Radikalbildung über die Fentonsche Gleichung und einen Radikalmechanismus einer Seitenkettenverschiebung beschrieben. An den Elektroden wird ein Modell einer Beschreibung der Wasserstoffoxidationsreaktion, der Sauerstoffreduktionsreaktion und der Wasserstoffperoxidbildungsreaktion an der anodischen Seite vorgesehen. So kann die Zellspannungsdegradation als Reaktion auf die strukturelle Entwicklung der Polymerelektrolytmembran insbesondere deren Ausdünnung vorhergesagt werden.
Diese Ausdünnung der Membran führt wiederum zu einer verstärktem Gaspermeation durch die Membran. Da der Gasdurchtritt durch die Membran temperatur- und befeuchtungsabhängig ist, können lokale Unterschiede im Grad der Ausdünnung entstehen. Durch die Gradienten in der Membrandicke kann sich auch die Reaktionsverteilung entlang des Gaskanals verändern. Im Modell wird für jeden berechneten Zeitschritt das Berechnungsgebiet der Membran entsprechend angepasst und in der weiteren Berechnung berücksichtigt.
Somit erfolgt die ortsaufgelöste Modellierung über mehrere inhomogen angeströmte 1 + 1D Modelle, die lokal an den Reaktionsschichten einen hohen Detaillierungsgrad aufweisen und Stackeffekte über unterschiedliche Randbedingungen der Medienzufuhr berücksichtigen. Hierfür werden die aktuellen Betriebszustände der Systemkomponenten (Luftversorgung, Brennstoffzufuhr, Thermomanagement), die dem Brennstoffzellenstack Medien zuführen, vom Steuergerät des Systems an die ortsaufgelösten Modelle übergeben.
Zur Veranschaulichung wird im Folgenden ein Anwendungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage beschrieben. In diesem Anwendungsbeispiel kommt die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage zum Einsatz, um einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges anzutreiben.
In dem Kraftfahrzeug ist eine Brennstoffzellenanlage vorgesehen, die mehrere Brennstoffzelleneinheiten zur Erzeugung elektrischer Energie aufweist, um diese in einem Energiespeicher zur Versorgung des Antriebsmotors zu speichern und bei Bedarf an letzteren abzugeben.
Jede dieser Brennstoffzelleneinheiten ist mit einer Diagnoseeinheit verbunden, welche zur Durchführung einer internen Fehleranalyse eine kontinuierliche Überwachung physikalischer Zustände in den jeweiligen Brennstoffzelleneinheiten durchführt. Die Diagnoseeinheit weist hierzu ein ortsaufgelöstes, detailliertes physikalisches Modell zur Berechnung von Degradationsmerkmalen auf Basis der ermittelten physikalischen Zustände und zur Speicherung der physikalischen Zustände innerhalb der Brennstoffzelleneinheit auf.
Treten während des Betriebs des Fahrzeuges physikalische Änderungen in einer der Brennstoffzelleneinheiten auf, welche beispielsweise ein schleichendes Versagen einer der Komponenten zur Folge haben könnten, erfolgt ein Abgleich der damit einhergehenden physikalischen Werte mit in der Diagnoseeinheit abgelegten Grenz- oder Schwellwerten, welcher beispielsweise auch als Hinweis auf einen Schweregrad eines Fehlers innerhalb der Brennstoffzellenanlage dienen kann. Bei Erreichen oder Überschreiten dieser Grenz- bzw. Schwellwerte, z. B. bei einer Undichtigkeit in der Luftführung der Brennstoffzelle, erzeugt die Diagnoseeinheit ein Fehlersignal, welches genaue Informationen bezüglich des Ortes des Auftretens und der Fehlerart enthält.
Dieses von der Diagnoseeinheit ausgegebene Fehlersignal wird an das Steuergerät der Brennstoffzellenanlage weitergegeben. Dort bewirkt der Eingang dieses Fehlersignals eine Aktivierung eines in dem Steuergerät hinterlegten Wartungssignals. Dieses wird in dem Nutzer des Fahrzeugs am Armaturenbrett durch Aufleuchten einer Wartungsleuchte kenntlich gemacht. Der Fahrer kann durch diese Leuchte oder gegebenenfalls durch eine weitere gegebenenfalls akustische Anweisung dazu aufgefordert werden, zu Wartungs- und Reparaturarbeiten eine Fachwerkstatt umgehend anzusteuern.
In der Fachwerkstatt erfolgt dann ein Auslesen der Diagnoseeinheit, was dazu führt, dass der Ort der Störung oder des Fehlers für Reparaturarbeiten unmittelbar kenntlich gemacht werden. Eine zeitintensive Fehlersuche ist somit nicht mehr notwendig.
Statt dessen gibt die Diagnoseeinheit beispielsweise bei einer Undichtigkeit in der Luftzuführung aufgrund einer Fehlerdetektion an den Sensoren zur Luftmengenmessung bzw. der Eintrittstemperaturen, bei einer Datenerkennung, die auf einen verstärkten Verschleiß aufgrund eines Degradationsmechanismus führen könnten zu einer Speicherung dieser Daten auf der Diagnoseeinheit, zusammen mit der Information, wo dieses Problem innerhalb der Brennstoffzelle aufgetreten ist. Eine solche Fehlermeldung könnte z. B. folgendermaßen lauten: „die letzten drei Zellen waren für eine bestimmte Zeitdauer X bezüglich der Sauerstoffzufuhr unterversorgt, wodurch eine verstärkte Membranausdünnung aufgetreten ist. Dies fördert mit großer Wahrscheinlichkeit einen Zerfall des Kohlenstoffbackings nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden”. Ein Mechaniker kann auf Basis dieser Information entscheiden, ob er nun die letzten drei Zellen des Brennstoffzellenstacks Nr. X austauscht oder auch den kompletten Brennstoffzellenstack ersetzt, um einen Ausfall der Brennstoffzellenanlage zu vermeiden.

Claims

Brennstoffzellenanlage mit mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (2) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem elektrischen Speicher zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie, mit Messeinrichtungen und/oder Sensoren zur Messung von Betriebsparametern der Brennstoffzelleneinheit (2) und mit einem elektrischen Verbraucher, wobei die Brennstoffzelleneinheit (2) mit einer Diagnoseeinheit gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diagnoseeinheit ein ortsaufgelöstes, detailliertes physikalisches Modell zur Ermittlung physikalischer Zustände in der Brennstoffzelleneinheit (2) auf Basis der detektierten Betriebsparameter abgelegt ist, und die Diagnoseeinheit zur Durchführung einer internen Fehleranalyse und/oder zur ortsaufgelösten Erkennung von Degradationen und/oder zur Abschätzung von Degradationswahrscheinlichkeiten innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (2) eine kontinuierliche Überwachung der physikalischen Zustände in der Brennstoffzelleneinheit (2) vornimmt.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung physikalischer Zustände einen Befeuchtungszustand einer Membran und Elektroden der Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder eine Stickstoffanreicherung an einer Anode der Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder eine Ausdünnung der Membran der Brennstoffzelleneinheit (2) umfasst.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit zur Ermittlung der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit (2) auf Messeinrichtungen und/oder Sensoren zugreift, die von der Brennstoffzellenanlage zur Parameterermittlung und/oder Steuerung weiterer Komponenten der Brennstoffzellenanlage nutzbar sind.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ortsaufgelöste, detaillierte physikalische Modell zur Berechnung von Degradationsmerkmalen auf Basis der ermittelten physikalischen Zustände und/oder zur Speicherung der physikalischen Zustände innerhalb der Brennstoffzelleneinheit (2) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell ein 3D-Modell ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher ein elektrischer Antriebsmotor zum Antreiben eines Fahrzeuges ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen mindestens eines in der Diagnoseeinheit abgelegten Grenzwertes mindestens eines physikalischen Zustandes der Brennstoffzelleneinheit (2) oder eines abgelegten Schweregrades eines Fehlers oder einer Abweichung die Diagnoseeinheit ein Fehlersignal erzeugt.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal Informationen bezüglich des Orts des Auftretens und der Fehlerart enthält.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Diagnoseeinheit ausgegebenes Fehlersignal ein in der Brennstoffzellenanlage vorgesehenes Wartungssignal aktiviert und/oder zur Vermeidung eines totalen Versagens die betroffene Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit (2) von der Brennstoffzellenanlage temporär oder dauerhaft entkoppelt.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit von der Steuerung der Brennstoffzellenanlage derart entkoppelt ist, dass eine kontinuierliche Überwachung der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit (2) und/oder eine detaillierte physikalische Betrachtung der Brennstoffzelleneinheit (2) ohne unmittelbaren Eingriff in einen Betriebszustand der Brennstoffzellenanlage durchführbar ist.
Fahrzeug mit einem Antriebsmotor und einer Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Detektion von Degradationsmechanismen in einer Brennstoffzellenanlage mit mindestens einer Brennstoffzelleneinheit (2) zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einem elektrischen Speicher zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie, mit Messeinrichtungen und/oder Sensoren zur Messung von Betriebsparametern der Brennstoffzelleneinheit (2) und mit einem elektrischen Verbraucher, wobei die Brennstoffzelleneinheit (2) mit einer Diagnoseeinheit gekoppelt ist, und wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst: – Detektieren von Betriebsparametern der Brennstoffzelleneinheit (2); dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: – Ermitteln physikalischer Zustände in der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit (2) mittels eines in der Diagnoseeinheit abgelegten ortsaufgelösten, detaillierten physikalischen Modells auf Basis der Betriebsparameter; – Berechnen von degradations- oder leistungsspezifischen Kenngrößen der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit (2) auf Basis der ermittelten physikalischen Zustände mittels des ortsaufgelösten, detaillierten physikalischen Modells; – Vergleichen der durch die Berechnung erhaltenen Kenngrößen mit in dem Diagnosemodul abgelegten Grenzwerten, wobei bei Erreichen eines Grenzwertes ein Fehlersignal von dem Diagnosemodul erzeugt und an ein Steuergerät der Brennstoffzellenanlage zur Speicherung und/oder zur Weiterverarbeitung weitergeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät bei Erhalt eines Fehlersignals von der Diagnoseeinheit die betroffene Brennstoffzelleneinheit (2) vom Gesamtsystem abkapselt oder überbrückt, um eine Schädigung letzterer zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit von der Steuerung der Brennstoffzellenanlage derart entkoppelt wird, dass eine kontinuierliche Überwachung der physikalischen Zustände der Brennstoffzelleneinheit (2) und eine detaillierte physikalische Betrachtung der Brennstoffzelleneinheit (2) ohne unmittelbaren Eingriff in einen Betriebszustand der Brennstoffzellenanlage durchgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnosemodul zur Ermittlung insbesondere verschiedenartiger physikalischer Zustände und Kenngrößen der Brennstoffzelle oder Brennstoffzelleneinheit (2) auf in der Brennstoffzellenanlage bereits vorhandene Messeinrichtung und/oder Sensoren zugreift.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Herausgabe eines Fehlersignals durch das Diagnosemodul ein Wartungssignal in der Steuerung der Brennstoffzellenanlage aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal Informationen bezüglich der Fehlerart und des Auftretens enthält, die in der Steuerung der Brennstoffzellenanlage gespeichert werden, um eine Wartung und Reparatur durch einfaches Abfragen dieser Daten zu vereinfachen.