DE102015225353A1

DE102015225353A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung, Steuereinheit, Betriebsvorrichtung und Computerprogrammerzeugnis

Info

Publication number: DE102015225353A1
Application number: DE102015225353.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schmid; Werner Urbansky; Andreas Buchner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), mit den Schritten (A) wiederholtes Erfassen mindestens eines Teils einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) der Brennstoffzellenanordnung (10) im stromgeführten Betrieb, (B) Bestimmen einer Leistungskennlinie (83, 85) aus einer jeweiligen Strom-Spannungskennlinie (73, 75), (C) Vergleichen einer aktuelleren Leistungskennlinie (83, 85) mit mindestens einer zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85), (D) Bestimmen eines Unterschiedsmaßes zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85) aus dem Vergleichen (C) und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage des Unterschiedsmaßes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebes einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems, eine Betriebsvorrichtung, insbesondere ein Fahrzeug, und sowie ein Computerprogrammerzeugnis.
Beim Betrieb von Vorrichtungen und insbesondere von Fahrzeugen oder dergleichen werden als Energiequelle vermehrt Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellenanordnungen, die auch als Stacks oder Brennstoffzellenstacks bezeichnet werden, eingesetzt.
Problematisch – insbesondere im Bereich der Fahrzeugtechnik – ist, dass Verschlechterungen der Systemleistung im Sinne eines Abfalles der abgebbaren elektrischen Leistung bei Brennstoffzellenanordnungen während des Betriebes derzeit nicht erfasst oder zumindest nicht ausgewertet oder überwacht werden.
Da die Leistung einer Brennstoffzellenanordnung plötzlich und unerwartet abfallen und somit degradieren kann, besteht ein Bedürfnis dahingehend, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenanordnung sicherer und zuverlässiger zu gestalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung, eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebes einer Brennstoffzellenanordnung, eine Betriebsvorrichtung und ein Computerprogrammerzeugnis anzugeben, bei welchen bei möglichst geringem Aufwand und in zuverlässiger Art und Weise Informationen über eine mögliche Verschlechterung der Leistungsabgabe einer Brennstoffzellenanordnung ableitbar sind und damit ein zuverlässigerer Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung möglich wird.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12, bei einer Steuereinheit erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13, bei einer Betriebsvorrichtung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 und einem Computerprogrammerzeugnis erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems geschaffen. Dieses weist erfindungsgemäß die Schritte (A) wiederholtes Erfassen mindestens eines Teils einer Stromspannungskennlinie der Brennstoffzellenanordnung im stromgeführten Betrieb, (B) Bestimmen einer Leistungskennlinie aus einer jeweiligen Stromspannungskennlinie, (C) Vergleichen einer aktuelleren Leistungskennlinie mit mindestens einer zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie, (D) Bestimmen eines Unterschiedsmaßes zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie aus dem Vergleichen (C) und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage des Unterschiedsmaßes auf.
Durch das wiederholte Erfassen von Stromspannungs- und Leistungskennlinien und deren Vergleich in zeitlicher Hinsicht kann über das Unterschiedsmaß, das Degradationsmaß und deren zeitliche Entwicklung, auch unter Einbeziehung von Tendenzen, frühzeitig eine Verschlechterung im Leistungsvermögen der Brennstoffzellenanordnung erkannt werden. Die ist erfindungsgemäß auch bereits zu einem Zeitpunkt möglich, bei welchem ein sich andeutender Leistungsabfall für den aktuellen Betrieb noch unkritisch ist. Auf der Grundlage einer derartigen Bewertung können dann beim Betrieb und/oder der Pflege des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems regenerative oder erhaltende Maßnahmen getroffen und gestaltet und/oder auch ein Zeitpunkt für einen Tausch oder eine Wartung von Komponenten des Systems bestimmt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Erfassen (A) des mindestens eines Teiles einer Strom-Spannungskennlinie regelbasiert zeitlich und/oder situativ gesteuert erfolgt. Auf diese Art und Weise kann einer Vielzahl von Betriebsszenarien Rechnung getragen werden, indem insbesondere automatisch und ohne Eingriff eines Benutzers, einer Werkstatt oder dergleichen, eine Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenanordnung erfolgt.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Erfassen (A) des mindestens eines Teiles einer Stromspannungskennlinie (i) täglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Tag oder einer Woche, bei jedem Startvorgang des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems, in Abhängigkeit von einer Betriebszeitspanne und/oder von einer erbrachten Leistung, insbesondere einer Fahrstrecke, und/oder (ii) bei einem Froststart, einem Vorgang des Quickwarmup, bei Fehlerereignissen oder kritischen Betriebssituationen, insbesondere bei Betriebstemperaturen unterhalb einer ersten Temperaturschranke und/oder oberhalb einer zweiten Temperaturschranke erfolgt. Dadurch werden auch Szenearien abgedeckt, bei denen sich eine Degradation der Leistung besonders manifestiert.
Besonders einfach gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn der messtechnische Aufwand gering gehalten werden kann und auch der Aufwand der weiteren Prozessschritte hinsichtlich der einzusetzenden Ressourcen gering bleibt. Dies wird bei einer Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht, indem das Erfassen (A) des mindestens eines Teiles einer Strom-Spannungskennlinie erfolgt, indem drei oder mehr Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren im stromgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung gemessen und insbesondere weitere Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren inter- oder extrapoliert werden.
Erfahrungsgemäß lässt sich das erfindungsgemäße Vorgehen weiter vereinfachen, indem Leistungsbereiche bei der Erfassung von Messdaten und Bewertung ausgeblendet werden, die auf Grund von Rückschlüssen bewertbar sind. So ist es bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass Stromspannungswertepaare im Bereich niedriger Leistung, insbesondere unterhalb von 60 % der Maximalleistung, und/oder im Bereich hoher Leistung, insbesondere oberhalb von 85 % der Maximalleistung, der Brennstoffzellenanordnung erfasst werden.
Die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich weiter steigern, indem die erfassten und ggf. die interpolierten Stromspannungswertepaare, Stromspannungskennlinie und/oder die Leistungskennlinie der Brennstoffzellenanordnung zeitlich zuordenbar gespeichert werden, insbesondere in einem Historienspeicher, mit einem Zeitstempel und/oder mit einem Statusstempel versehen. Insbesondere ermöglichen ein Zeitstempel eine genaue zeitliche Zuordnung der erfassten Daten und ein Statusstempel ein Erfassen der zum Mess- oder Erfassungszeitpunkt konkret vorliegenden apparativen Situation, ggf. mit sämtlichen relevanten Betriebs- und Statusparametern.
Ein jeweiliger Stempel kann auch zunächst als Referenz im Sinne eines Pointers vorgesehen sein, welcher eine Zuordnung des reinen Erfassungs- oder Messdatensatzes im Hinblick auf die Stromspannungskennlinie oder Stromleistungskennlinie referenziell mit anders erfassten oder abgelegten Parametern liefert.
So ist es gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass beim Erfassen (A) der Stromspannungskennlinie zusätzlich weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung erfasst und gespeichert werden, insbesondere als Teil des Statusstempels und/oder mit Referenz zu einem Statusstempel.
Auf Grund der Wechselwirkung der verschiedenen Systemkomponenten mit ihren Bedingungen und ihren Einflüssen aufeinander bieten sich vielfältige Möglichkeiten bei der Erfassung weiterer Betriebsparameter an. So ist es gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, dass beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie als weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung eine Stackspannung, Einzelzellenspannungen, eine Stacktemperatur, Temperatur, Druck, Konzentration und/oder Fluss einer Gaskomponente in der Brennstoffzellenanordnung und/oder im Abgas, insbesondere von Wasserstoffgas, Umgebungsparameter, insbesondere Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit, Betriebsparameter einer zu Grunde liegenden Betriebsvorrichtung, insbesondere Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Querbeschleunigung eines versorgten Fahrzeuges, und/oder Messwerte aus einer elektrischen Impedanzspektroskopie an der Brennstoffzellenanordnung erfasst werden.
Auch beim Vergleichen und bei der Auswertung der Vergleichsergebnisse sind verschiedene Strategien denkbar. So kann zunächst ein signifikanter Teilabschnitt oder Punkt einer Kennlinie festgelegt werden, der für die Brennstoffzellenanordnung und das Brennstoffzellensystem besonders aussagekräftig und charakteristisch sind. Durch das Erfassen der verschiedenen Kennlinien im Verlauf der Zeit kann dann die Veränderung des signifikanten Teilabschnittes oder Punktes in den Stromspannungskennlinien oder den Leistungskennlinien betrachtet werden. Überschreitet die Veränderung ein bestimmtes Maß zwischen zwei voneinander verschiedenen Zeitpunkten, so kann dies als Grundlage für die Bestimmung eines Degradationsmaßes, welches für den Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung charakteristisch ist, herangezogen werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Bestimmen (D) des Unterschiedsmaßes eine Differenz von Werten einer von der Brennstoffzellenanordnung abgegebenen elektrischen Leistung zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie einzeln und/oder in summierter oder integrierter Form bestimmt wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass auf eine Degradation der Brennstoffzellenanordnung erkannt wird, wenn eine einzelne Differenz einen ersten Schwellwert, insbesondere von 5 %, und/oder eine summierte oder integrierte Form von Differenzen einen zweiten Schwellwert, insbesondere von 10 %, übersteigt.
Um Kennlinien der Brennstoffzellenanordnung erfassen zu können, muss sich diese in Betrieb befinden. Dabei ist der stromgeführte Betrieb besonders bevorzugt.
Ferner ist es von Vorteil, wenn gemäß einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Erfassen einer Stromspannungskennlinie der Brennstoffzellenanordnung der Betrieb stromgeführt erfolgt, indem die Brennstoffzellenanordnung gesteuert als Leistungsquelle geschaltet und zum Übertragen elektrischer Leistung an einen Verbraucher als Leistungssenke veranlasst wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Brennstoffzellenanordnung veranlasst wird, an einen Energiespeicher und insbesondere an einen Hochvoltspeicher als Leistungssenke Leistung abzugeben.
Durch dieses Vorgehen ist es möglich, dass das Erfassen einer Stromspannungskennlinie oder einer Leistungskennlinie während des Betriebes der Brennstoffzellenanordnung und des Brennstoffzellensystems erfolgt, ohne dass der Benutzer davon Notiz nimmt.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie auch Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung, des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems und/oder damit gekoppelter und insbesondere damit versorgter Einrichtungen angesteuert verändert werden, insbesondere Druck, Temperatur, Konzentration, Durchfluss, Rezirkulationsrate und/oder Feuchtegrad mindestens einer Gaskomponente, insbesondere der Zuluft und des Wasserstoffgases, und/oder die Kühlleistung einer die Brennstoffzellenanordnung kühlenden Kühleinheit.
Durch diese Maßnahmen können Zustände und Situationen hervorgerufen werden, die ein Verhalten der Brennstoffzellenanordnung bewirken, welches eindeutig einen Rückschluss auf das Bestehen oder Nichtbestehen einer Degradation erlauben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems geschaffen, bei welchem der Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und auf der Grundlage eines den Degradationszustand repräsentierenden Degradationsmaßes und/oder seiner zeitlichen Entwicklung Betriebsparameter und/oder Regenerationsparameter der Brennstoffzellenanordnung und/oder von mit der Brennstoffzellenanordnung zusammenhängender Komponenten, insbesondere des Brennstoffzellensystems, geregelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung auch eine Steuereinheit, welche ausgebildet ist zum Steuern des Betriebs einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems und welche eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen des Degradationszustandes der Brennstoffzellenanordnung auszuführen.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Betriebsvorrichtung und insbesondere ein Fahrzeug, welche von einer Brennstoffzellenanordnung eines Brennstoffzellensystems betreibbar sind und eine erfindungsgemäße Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung aufweisen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Computerprogrammerzeugnis mit einem Programmcode, der eingerichtet ist, wenn er ausgeführt wird, einen Computer oder eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zu veranlassen, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
1 ist ein Blockdiagramm, welches ein Brennstoffzellensystem zeigt, welches im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
2 zeigt ein Zeitleistungsdiagramm mit zu verschiedenen Zeitpunkten erfassten Werten der elektrischen Leistung, die von einer Brennstoffzellenanordnung abgegeben werden.
3A und 3B zeigen in Diagrammen Beispiele von Stromspannungs- und Stromleistungskennlinien, wie sie bei der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können.
4 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges.
Die 1 bis 4 zeigen in schematischer Art und Weise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder äquivalent sowie gleich oder äquivalent wirkende Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird eine Detailbeschreibung wiederholt. Die in den Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung genannten Merkmale und weiteren Eigenschaften der Erfindung können beliebig voneinander getrennt oder miteinander kombiniert verwendet werden ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Grundsätzlich sind die zuvor und die nachfolgend genannten Aspekte der vorliegenden Erfindung auf sämtliche Brennstoffzellenanordnungen und Brennstoffzellensysteme anwendbar. Insbesondere wird, jedoch nicht beschränkend, im Zusammenhang mit der Beschreibung auf Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen Bezug genommen, auch wenn dies nicht immer explizit erwähnt wird.
Dazu zeigt 1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 100 mit einer Brennstoffzellenanordnung 10.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 kann aus einer Mehrzahl von Einzelzellen bestehen. In diesem Zusammenhang wird die Brennstoffzellenanordnung 10 auch als Stack oder Brennstoffzellenstack bezeichnet und gelegentlich mit dem Symbol FCS abgekürzt.
Das Brennstoffzellensystem 100 untergliedert sich grob in einen anodischen Bereich 15 und in einen kathodischen Bereich 16. Der anodische Bereich 15 wird über ein entsprechendes Leitungssystem mit einem ersten Prozessgas 15-1, z.B. Wasserstoffgas beaufschlagt und der Anodeneinheit 11 zugeführt.
Zur Anodeneinheit 11 benachbart ist die Kathodeneinheit 12 ausgebildet, die über ein entsprechendes Leitungssystem mit einem zweiten Prozessgas 16-1, z.B. Luft, versorgt und im Hinblick auf die Abluft oder das Abgas 16-2 entsorgt wird.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 mit den einzelnen Brennstoffzellen beruht auf dem Funktionsprinzip einer galvanischen Zelle. Bei dieser wird chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes, hier des ersten Prozessgases 15-1, z.B. in Form von Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, hier das zweite Prozessgas 16-1 und insbesondere des in der Zuluft enthaltenen Sauerstoffes, in elektrische Energie gewandelt.
Das Brennstoffzellensystem 100 und die Brennstoffzellenanordnung 10 selbst bilden als solche noch keinen Energiespeicher für elektrische Energie, sondern zunächst nur eine Energie- und Leistungsquelle für elektrische Energie.
Notwendig, um den Energiekreislauf zu schließen, sind somit ein in 1 nicht dargestellter Verbraucher bzw. ein Speicher für elektrische Energie, z.B. ein Hochvoltspeicher, wie er z.B. bei elektrisch oder hybrid betriebenen Fahrzeugen eingesetzt wird.
In 1 ist noch eine Kühleinheit 13 mit einem Kühlmittelzufluss 13-1 und einem Kühlmittelabfluss 13-2 dargestellt, um die Brennstoffzellenanordnung 10 in einem besonders günstigen Temperaturintervall betreiben zu können, entweder durch Kühlen oder durch Erwärmen über ein Wärmeaustauschmedium, z.B. ein Kühlmittel.
2 zeigt nach Art eines Zeitleistungsdiagrammes 60 mit der an der Abszisse 61 aufgetragenen Zeit in Sekunden und der an der Ordinate 62 aufgetragenen elektrischen Leistung P in relativen Leistungseinheiten eine Messkurve 63, welche der Erfassung einer Stromspannungskennlinie 73, 75 bzw. einer Stromleistungskennlinie 83, 85 zu Grunde gelegt werden kann.
Dabei werden bei der durch 2 symbolisierten Messung jeweils für eine Zeitspanne von 10 Sekunden über entsprechende Leistungspegel mit Strom und Spannung Wertepaare 64, 65 und 66 erfasst und der Bestimmung einer Stromspannungskennlinie 73, 75 bzw. einer Stromleistungskennlinie 83, 85, wie sie nachfolgend im Detail beschrieben werden wird, zu Grunde gelegt.
In den 3A und 3B sind ein Stromspannungsdiagramm 70 bzw. ein Stromleistungsdiagramm 80 aus einer Messung im Zusammenhang mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung 10 dargestellt.
Ausgangspunkt können dabei gemäß 3A die im Stromspannungsdiagramm 70 dargestellten Stromspannungswertepaare 76 als Messpunkte sein. Auf der Grundlage einer bestimmten Anzahl von Stromspannungsmesswertepaaren 76, z.B. drei Stromspannungsmesswertepaare oder mehr, kann die Stromspannungskennlinie 73 auch durch Interpolation und Extrapolation in den Bereich nicht direkt gemessener Stromspannungswertepaare erstellt werden.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bietet es sich z.B. an, eine derartige Stromspannungskurve 73 bei einer ersten Inbetriebnahme einer – insbesondere neuen oder überholten – Brennstoffzellenanordnung 10 als Referenz zu erfassen, um später einen Vergleich mit diesem Ursprungszustand, repräsentiert durch die anfangs aufgenommene Stromspannungskennlinie 73, durchführen zu können.
Im Stromspannungsdiagramm 70 ist auf der Abszisse 71 die normierte Stromstärke I/Imax – also die Stromstärke I in Relation zur maximalen Stromstärke Imax der Brennstoffzellenanordnung 10 – aufgetragen. Auf der Ordinate 72 ist die entsprechende normierte Spannung U/Umax der Brennstoffzellenanordnung 10 aufgetragen.
Zu jedem Mess- oder Überprüfungszeitpunkt wird eine neue Stromspannungskennlinie 73 erfasst und kann z.B. mit früheren Stromspannungskennlinien 73 verglichen werden. Dabei würde eine abweichende Stromspannungskennlinie 75 – stichpunktiert dargestellt – auf eine Degradation hinweisen, wenn die Abweichung der Stromspannungskennlinie 75 z.B. lokal einen Schwellenwert übersteigt, der durch die gestrichelt dargestellte Schwellenlinie 74 repräsentiert wird.
Statt eines direkten Vergleichs der Stromspannungskennlinien 73, 75 wird erfindungsgemäß auf Stromleistungskennlinien 83, 85 zurückgegriffen, wie sie im Zusammenhang mit 3B in dem Stromleistungsdiagramm 80 dargestellt sind.
Bei diesem Diagramm ist auf der Abszisse 81 wieder der normierte elektrische Strom I/Imax und auf der Ordinate 82 nun die normierte Leistung P/Pmax der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 aufgetragen.
Aus den Wertepaaren 76 der Stromspannungskennlinie 70 kann durch Produktbildung die durch die Brennstoffzellenanordnung 10 gelieferte elektrische Leistung P für jedes Stromspannungswertepaar 76 in ein entsprechendes Stromleistungswertepaar 86 umgerechnet werden. Wiederum durch Interpolation und Extrapolation wird auf Stromleistungswertepaare 86, die nicht direkt gemessen wurden, geschlossen. Es ergibt sich so die durchgezogen dargestellte Stromleistungskennlinie 83.
Im Stromleistungsdiagramm 80 der 3B ist ähnlich der Darstellung der 3A eine abweichende und auf einen Degradationszustand hinweisende Stromleistungskennlinie 85 strichpunktiert dargestellt. Diese zeigt einen abweichenden Verlauf der Stromleistungswertepaare 86, wobei die Abweichung über das durch die Schwellenlinie 84 gegebene Maß hinausgeht und somit einen Hinweis auf eine Degradation der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 liefert.
Alternativ zu einem punktweisen Vergleich der Stromleistungswertepaare 86 ist es auch denkbar, auf eine Degradation zu schließen, indem auf summierte oder integrierte Werte zurückgegriffen wird.
Dies kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn die punktuellen Abweichungen der einzelnen Stromleistungswertepaare 86 vom Referenz- oder Regelfall noch gering sind, aber in ihrer Summe oder in ihrem Integral eine Tendenz erkennen lassen, die, gerade in zeitlicher Entwicklung, auf eine schleichende Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der zu Grunde liegenden Brennstoffzellenanordnung 10 hinweisen.
4 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fahrzeuges 1 unter Verwendung einer Steuereinheit 50, welche eingerichtet ist, ein der Erfindung zu Grunde liegendes Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung 10 oder ein der Erfindung zugrunde liegendes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung 10 auszuführen.
Das in 4 dargestellte Fahrzeug 1 als erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung weist ein Chassis 102 und mittels einer Antriebseinheit 20 antreibbare Räder 104 auf. Die Antriebseinheit 20 wird durch die Steuereinheit 50 gesteuert, und zwar über die Steuerleitung 51 und unter Rückgriff auf eine Pedaleinheit 30 mit einem Pedal 31, welches durch einen Benutzer des Fahrzeuges 1 bedient wird.
Über eine weitere Steuer- und Messleitung 53 greift die Steuereinheit 50 auf das Brennstoffzellensystem 100 mit der Brennstoffzellenanordnung 10 zu, um entsprechende Parameter zur Bewertung des Zustandes der Brennstoffzellenanordnung 10 und zur Steuerung von deren Betrieb zu erfassen.
Das Brennstoffzellensystem 100 ist über eine Versorgungsleitung 101 mit der Antriebseinheit 20 verbunden und gibt, von der Steuereinheit 50 über die Steuer- und Messleitung 53 gesteuert, entsprechend Energie an diese ab, um das Fahrzeug 1 über die Räder 104 anzutreiben.
Diese und weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit den folgenden Zusammenhängen weiter erläutert:
FCS-Systemdegradationen und der damit verbundene Abfall in der Systemleistung werden bisher nicht während des Fahrbetriebes erfasst, ausgewertet und überwacht und können daher dem Fahrer nicht angezeigt und auch nicht gespeichert werden. Entsprechend ist es nicht möglich, Betriebsstrategie an den Gesundheitszustand des Brennstoffzellensystems 100 anzupassen.
Die FCS-Systemleistung kann plötzlich und unerwartet degradieren und zum Liegenbleiben, z.B. eines mit einem Brennstoffzellensystem 100 betriebenen Fahrzeuges 1, führen.
Degradationen werden dem Fahrer bisher nicht angezeigt. Kritische Systembedingungen werden z.B. auch im Serviceintervall nicht berücksichtigt.
Die vorliegende Erfindung schlägt unter anderem eine regelmäßige, z.B. täglichen, von den Fahrkilometern abhängigen, von den Betriebsstunden abhängigen, und/oder eine situationsgesteuerte automatisierte Überprüfung des FCS-Systems 100 im Fahrzeug 1 vor, z.B. nach Froststart, Quickwarmup, nach Fehlerereignissen, bei kritischen Ereignissen wie hohe oder kalte Temperaturen, bei jedem Startvorgang. Die Überprüfung soll vorzugsweise im Hintergrund ablaufen und z.B. über eine über U/I-Kurve realisiert werden, die auch als Stromspannungskennlinie 73, 75 der Brennstoffzelleneinheit 10 bezeichnet wird.
Ein Abspeichern der Historie in einem Historienspeicher ist denkbar und vorteilhaft. Dadurch können reversible und irreversible Degradationen vom System 100 frühzeitig erkannt werden und es können Maßnahmen, z.B. ein Werkstattaufenthalt, eine Anzeige, ein Notlauf, ein Inspektion oder dergleichen, eingeleitet werden.
Über eine Funktion kann im Hintergrund bei jedem FCS-Start eine Abfrage- oder Pollkurve als U/I Kurve für wenige Sekunden abgefahren werden, ohne dass der Benutzer des Fahrzeuges etwas davon bemerkt.
Bei reversiblen Degradationen kann die Betriebsstrategie verändert werden, um eine Erholung des Systems 100 zu begünstigen.
Zum Beispiel kann bei Eintrag von Schadgas oder Substanzen, z.B. von Kohlenwasserstoffen, oder bei schlechter Wasserstoff- oder Kraftstoffqualität, der Stack 10 einem Spannungs- und Stromwechsel unterzogen und/oder Temperaturerhöhungen ausgesetzt werden.
Denkbar ist das Vorsehen eines FCS-Zustandsüberwachers, z.B. nach Art einer Steuereinheit 50 auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens:
Zur Bestimmung des FCS-Systemzustandes können verschiedene FCS-Parameter ausgewertet werden, z.B.

– die Stackspannung,
– Einzelzellspannungen,
– der Wasserstoffdruck und/oder die Wasserstofftemperatur,
– Parameter aus einer elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) und/oder
– die Wasserstoffkonzentration im Abgas 16-2.

Die Auswertungen können in einem Historienspeicher hinterlegt werden, um reversible und irreversible Systemdegradationen zu erkennen.
Als Wichtige Eingangsparameter können für diese Funktion z.B. verwendet werden:

– die Temperatur des Stacks 10,
– der Ladungszustand (SOC) eines zu Grunde liegenden HV- oder Hochvoltspeichers,
– Inhalte eines Historienspeichers,
– die Umgebungsparameter, z.B. die Außentemperatur, und/oder
– der Fahrzeugzustand, z.B. Geschwindigkeit, Neigung, Querbeschleunigung oder dergleichen.

Der FCS-Zustandsüberwacher kann während verschiedener Betriebszustände des FCS-Systems 100 zusätzlich Daten erfassen und auswerten, z.B.

– während einer Quick-Warmup-Phase,
– während Spül- oder Purgevorgängen (löst kurzfristig Druck Wasserstoff und Feuchteschwankungen aus, die sich bei Degradation unterschiedlich auswirken können) und/oder
– während eines Normalbetriebs.

Der erfindungsgemäße Test kann speziell in die Quickwarmupprozedur ohne Einschränkung der Funktion integriert werden (Leistungsstufen erwärmen den Stack 10 auch).
Während der Erfassung einer U/I-Kurve 73, 75 können zusätzlich verschiedene Eingangsparameter für das FCS-System 100 angesteuert und verändert werden:

– der Luftdruck, wodurch eine Detektion einer Störung der Medienverteilung auf der Kathodenseite 12 erkennbar wäre,
– Druck, Durchfluss und/oder Rezirkulationsrate des Wasserstoffs, wodurch der Wasserhaushalt auf der Anode detektierbar wäre,
– die FCS-Kühlung 13, wodurch eine Stackflutungsneigung über Temperatur, z.B. im Zusammenhang mit einem Schaden in der GDL oder Änderung der Hydrophobizität, detektierbar wäre, und/oder
– die Feuchte, mittels einer Wassereinspritzung, wodurch sich eine verbesserte Stackkühlung 13 während des Tests ergäbe.

Folgende Vorteile stellen sich erfindungsgemäß ein:

– Früherkennung von systembedingten Degradationen,
– Detektion und Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Degradationen,
– Erkennen von defekten Systemen,
– Anzeige von Degradationen für Fahrer oder für Werkstattpersonal,
– ereignisgesteuerte Inspektionsintervalle auf Grund von Systemeigenschaften und
– temporäre oder/oder dauerhafte Anpassung der Betriebsstrategie, um einen Notlauf zu gewährleisten und/oder den Stack 10 wieder in den Normalzustand zu bringen oder weitere Schädigungen zu vermeiden.

Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
10: Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenstack, FCS
11: Anodeneinheit
12: Kathodeneinheit
13: Kühleinheit
15: anodischer Bereich
15-1: erstes Prozessgas, Wasserstoffgas
16: kathodischer Bereich
16-1: zweites Prozessgas, Luft
16-2: Abgas, Abluft
20: Antriebseinheit
30: Pedaleinheit
31: Pedal
50: Steuereinheit
51: Steuerleitung
52: Steuerleitung
53: Steuerleitung
60: Zeitleistungsdiagramm
61: Abszisse
62: Ordinate
63: Messkurve
64: Messpunkt, Wertepaar
65: Messpunkt, Wertepaar
66: Messpunkt, Wertepaar
70: Stromspannungsdiagramm
71: Abszisse
72: Ordinate
73: Stromspannungskennlinie
74: Schwellenlinie
75: Stromspannungskennlinie
76: Stromspannungswertepaar, Wertepaar, Messpunkt
80: Stromleistungsdiagramm
81: Abszisse
82: Ordinate
83: Stromleistungskennlinie
84: Schwellenlinie
85: Stromleistungskennlinie
86: Stromleistungswertepaar, Wertepaar, Messpunkt
100: Brennstoffzellensystem
101: Versorgungsleitung
102: Chassis
104: Rad

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Degradationszustandes einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), mit: (A) wiederholtes Erfassen mindestens eines Teiles einer Stromspannungskennlinie (73, 75) der Brennstoffzellenanordnung (10) im stromgeführten Betrieb, (B) Bestimmen einer Leistungskennlinie (83, 85) aus einer jeweiligen Stromspannungskennlinie (73, 75), (C) Vergleichen einer aktuelleren Leistungskennlinie (83, 85) mit mindestens einer zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85), (D) Bestimmen eines Unterschiedsmaßes zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85) aus dem Vergleichen (C) und (E) Erzeugen eines für den Degradationszustand repräsentativen Degradationsmaßes auf der Grundlage des Unterschiedsmaßes.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens einen Teiles einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) regelbasiert zeitlich und/oder situativ gesteuert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens einen Teiles einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) (i) täglich, zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem Tag oder einer Woche, bei jedem Startvorgang des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems (100), in Abhängigkeit von einer Betriebszeitspanne und/oder von einer erbrachten Leistung, insbesondere einer Fahrstrecke, und/oder (ii) bei einem Froststart, einem Vorgang des Quickwarmup, bei Fehlerereignissen oder kritischen Betriebssituationen, insbesondere bei Betriebstemperaturen unterhalb einer ersten Temperaturschranke und/oder oberhalb einer zweiten Temperaturschranke erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem das Erfassen (A) des mindestens eines Teils einer Strom-Spannungskennlinie (73, 75) erfolgt, indem drei oder mehr Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren (76) im stromgeführten Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (10) gemessen und insbesondere weitere Stützpunkte mit Stromspannungswertepaaren (76) inter- oder extrapoliert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem Stromspannungswertepaare (76) im Bereich niedriger Leistung, insbesondere unterhalb von 60 % der Maximalleistung, und/oder im Bereich hoher Leistung, insbesondere oberhalb von 85 % der Maximalleistung, der Brennstoffzellenanordnung (10) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die erfassten und ggf. die interpolierten Stromspannungswertepaare (76), Stromspannungskennlinie (73, 75) und/oder die Leistungskennlinie (83, 85) der Brennstoffzellenanordnung (10) zeitlich zuordenbar gespeichert werden, insbesondere in einem Historienspeicher, mit einem Zeitstempel und/oder mit einem Statusstempel versehen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) der Stromspannungskennlinie (73, 75) zusätzlich weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10) erfasst und gespeichert werden, insbesondere als Teil des Statusstempels und/oder mit Referenz zu einem Statusstempel.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie (73, 75) als weitere Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10) eine Stackspannung, Einzelzellenspannungen, eine Stacktemperatur, Temperatur, Druck, Konzentration und/oder Fluss einer Gaskomponente in der Brennstoffzellenanordnung (10) und/oder im Abgas, insbesondere von Wasserstoffgas, Umgebungsparameter, insbesondere Temperatur, Druck und/oder Feuchtigkeit, Betriebsparameter einer zu Grunde liegenden Betriebsvorrichtung, insbesondere Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Querbeschleunigung eines versorgten Fahrzeuges (1), und/oder Messwerte aus einer elektrischen Impedanzspektroskopie an der Brennstoffzellenanordnung (10) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem – beim Bestimmen (D) des Unterschiedsmaßes eine Differenz von Werten einer von der Brennstoffzellenanordnung (10) abgegebenen elektrischen Leistung zwischen der aktuelleren und der zeitlich weiter zurückliegenden Leistungskennlinie (83, 85) einzeln und/oder in summierter oder integrierter Form bestimmt wird und – insbesondere auf eine Degradation der Brennstoffzellenanordnung (10) erkannt wird, wenn eine einzelne Differenz einen ersten Schwellwert, insbesondere von 5 %, und/oder eine summierte oder integrierte Form von Differenzen einen zweiten Schwellwert, insbesondere von 10 %, übersteigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie (73, 75) die Brennstoffzellenanordnung (10) stromgeführt betrieben wird, indem die Brennstoffzellenanordnung (10) gesteuert als Leistungsquelle geschaltet und zum Übertragen elektrischer Leistung an einen Verbraucher und/oder an einen Energiespeicher, insbesondere einen Hochvoltspeicher, als Leistungssenke veranlasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem beim Erfassen (A) einer Stromspannungskennlinie (73, 75) Betriebsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10), des zu Grunde liegenden Brennstoffzellensystems (100) und/oder damit gekoppelter und insbesondere damit versorgter Einrichtungen angesteuert verändert werden, insbesondere Druck, Temperatur, Konzentration, Durchfluss, Rezirkulationsrate und/oder Feuchtegrad mindestens einer Gaskomponente, insbesondere der Zuluft und des Wasserstoffgases, und/oder die Kühlleistung einer die Brennstoffzellenanordnung (10) kühlenden Kühleinheit (13).
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), bei welchem: – der Degradationszustand der Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bestimmt wird und – auf der Grundlage eines den Degradationszustand repräsentierenden Degradationsmaßes und/oder seiner zeitlichen Entwicklung Betriebsparameter und/oder Regenerationsparameter der Brennstoffzellenanordnung (10) und/oder von mit der Brennstoffzellenanordnung (10) zusammenhängender Komponenten, insbesondere des Brennstoffzellensystems (100), geregelt werden.
Steuereinheit (50) zum Steuern des Betriebs einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100), welche eingerichtet ist, ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 12 und/oder ein Verfahren zur Bestimmung des Degradationszustandes der Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Betriebsvorrichtung, insbesondere Fahrzeug (1), welche – von einer Brennstoffzellenanordnung (10) eines Brennstoffzellensystems (100) betreibbar ist und – eine Steuereinheit (50) nach Anspruch 13 zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung (10) aufweist.
Computerprogrammerzeugnis mit einem Programmcode, der eingerichtet ist, wenn er ausgeführt wird, einen Computer oder eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung zu veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.