DE102019122607A1 - Verfahren zum Überwachen von Spannungen und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen (30-35) in einem Brennstoffzellenstapel (20), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen (30-35); Bestimmen eines Medianwerts und/oder eines Mittelwerts der Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20); Vergleichen der Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder von Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) mit dem Medianwert und/oder dem Mittelwert; Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) von dem Mittelwert und/oder dem Medianwert um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht; und Erhöhen oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen festgestellt wurde, dass die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) von dem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen und ein Brennstoffzellensystem.
  • Bei bisher bekannten Brennstoffzellensystemen werden die Spannungen von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels erfasst und mit einem absolut vorgegebenen Wert verglichen. Wenn die Spannung einer oder mehrerer Brennstoffzellen unterhalb des vorgegebenen Werts (z.B. 500 mV) liegt, wird die Leistung des Brennstoffzellenstapels reduziert oder der Brennstoffzellenstapel wird abgeschaltet.
  • Nachteilig hieran ist, dass der Brennstoffzellenstapel in vielen auftretenden Situationen unmittelbar abgeschaltet oder in seiner Leistung reduziert wird.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in einem Kraftfahrzeug bzw. ein Brennstoffzellensystem aufzuzeigen, bei dem ein Abschalten des Brennstoffzellensystems oder ein Verringern der Leistung des Brennstoffzellensystems technisch einfach weitgehend vermieden wird. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen; Bestimmen eines Medianwerts und/oder eines Mittelwerts der Spannungen mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels; Vergleichen der Spannung einer Brennstoffzelle oder von Spannungen mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit dem Medianwert und/oder dem Mittelwert; Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle oder mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels von dem Mittelwert und/oder dem Medianwert um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht; und Erhöhen oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei der oder denen festgestellt wurde, dass die Spannung der Brennstoffzelle von dem Medianwerts und/oder Mittelwerts der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass im Wesentlichen unabhängig von dem Spannungsabfall mehrere Brennstoffzellen gemeinsam, ein Spannungsunterschied zwischen den Brennstoffzellen technisch einfach festgestellt werden kann. Somit können Maßnahmen zum Erhöhen der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle(n) bzw. Angleichen der Spannungen der Brennstoffzellen aneinander unternommen werden, bevor das Steuergerät die Leistung der Brennstoffzelle(n) verringert oder das Brennstoffzellensystem abschaltet. Auf diese Weise kann die Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems für den Fahrer des Kraftfahrzeugs erhöht werden, da das Brennstoffzellensystem weniger häufig abgeschaltet wird bzw. die Leistung weniger häufig durch das Steuergerät verringert wird. Zudem können durch die Position der Brennstoffzellen, deren Spannung zu dem Mittelwert und/oder Medianwert einen Unterschied aufweisen, der größer als der erste vorgegebene Abstand ist, auf die Art des Fehlers bzw. Problems geschlossen werden. Zudem ist vorteilhaft, dass dem Brennstoffzellensystem technisch einfach zur Vergleichmäßigung der Spannungen der Brennstoffzellen ein Medium, z.B. Wasserstoff, Sauerstoff und/oder Wasser, verstärkt oder vermindert zugeführt werden kann. Somit kann eine Leistungsverminderung und/oder ein Abschalten des Brennstoffzellenstapels weitgehend verhindert werden. Es können z.B. ein oder mehrere Zustände bzw. Bedingungen wie (Partial-) Druck eines Gases, Temperatur der Brennstoffzelle und/oder eines Gases, Durchflussmenge eines Mediums, Feuchtegehalt des Mediums bzw. Gases etc. an der jeweiligen Brennstoffzelle verändert werden.
  • Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen und ein Steuergerät zum Überwachen der Brennstoffzellen gelöst, wobei das Steuergerät zum Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen, zum Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle oder mehrerer Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht, und zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei der oder denen die Spannung von dem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den vorgegebenen Wert abweicht, ausgebildet ist.
  • Vorteilhaft hieran ist, dass ein Spannungsunterschied zwischen den Brennstoffzellen technisch einfach festgestellt werden kann, unabhängig von der gemeinsamen Verringerung der Spannung der Brennstoffzellen. Folglich können technisch einfach Maßnahmen zum Angleichen der Spannungen der Brennstoffzelle(n) aneinander unternommen werden, bevor das Steuergerät die Leistung der Brennstoffzelle(n) verringert oder das Brennstoffzellensystem abschaltet. Hierdurch ist es möglich, das Brennstoffzellensystem länger dem Fahrer zur Verfügung zu stellen, da das Brennstoffzellensystem weniger häufig abgeschaltet wird bzw. die Leistung weniger häufig durch das Steuergerät verringert wird. Zudem können durch die Position der Brennstoffzellen, deren Spannung zu dem Mittelwert und/oder Medianwert einen Unterschied aufweisen, der größer als der erste vorgegebene Abstand ist, auf die Art des Fehlers bzw. Problems geschlossen werden. Zudem kann das Brennstoffzellensystem geringe Herstellungskosten aufweisen. Ein Vorteil weiterer hiervon ist, dass das Steuergerät technisch besonders einfach ein Medium, z.B. Sauerstoff, Wasserstoff und/oder Wasser, verstärkt oder vermindert zur Vergleichmäßigung der Spannungen der Brennstoffzellen zuführen kann. Somit kann eine Leistungsverminderung und/oder ein Abschalten des Brennstoffzellenstapels weitgehend verhindert werden. Insbesondere ist mittels des Brennstoffzellensystems möglich, die Medienverteilung zu vergleichmäßigen, d.h. dass jeder Brennstoffzelle im Wesentlichen die gleiche Menge bzw. Strömungsrate jedes Mediums (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser etc.) zur Verfügung steht. Es können z.B. ein oder mehrere Zustände bzw. Bedingungen wie (Partial-) Druck eines Gases, Temperatur der Brennstoffzelle und/oder eines Gases, Durchflussmenge eines Mediums, Feuchtegehalt des Mediums bzw. Gases etc. an der jeweiligen Brennstoffzelle verändert werden.
  • Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Kraftfahrzeug mit einem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem gelöst. Die Vorteile des Kraftfahrzeugs entsprechen im Wesentlichen den oben angegebenen Vorteilen des Brennstoffzellensystems.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf: Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle oder der jeweiligen Brennstoffzelle mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle oder die Brennstoffzellen, bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Median und/oder im Mittel einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels. Vorteilhaft hieran ist, dass technisch besonders einfach festgestellt werden kann, welches Medium der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. den jeweiligen Brennstoffzellen zugeführt bzw. verstärkt zugeführt werden muss, um die Spannung der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellen in Richtung des Mittelwerts und/oder Medianwerts zu verändern. Beispielsweise kann technisch einfach erkannt werden, dass zu wenig Wasserstoff zu der Brennstoffzelle gelangt, wenn die Brennstoffzelle(n) mit entsprechender Abweichung vom Medianwert und/oder Mittelwert sich weiter entfernt als der Mittelwert der Brennstoffzellen von dem Punkt befindet, an dem dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zugeführt wird. Gleiches gilt entsprechend für die anderen Medien, insbesondere Sauerstoff. Insbesondere ist es möglich, die Medienverteilung zu vergleichmäßigen, d.h. dass jeder Brennstoffzelle im Wesentlichen die gleiche Menge und/oder den gleichen Druck und/oder den gleichen Volumenstrom jedes Mediums (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser etc.) zur Verfügung gestellt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf: Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle. Hierdurch kann technisch einfach erkannt werden, ob einer Brennstoffzelle oder mehreren Brennstoffzellen mehr Wasser zugeführt werden soll oder weniger bis kein Wasser zugeführt werden soll. Somit lässt sich das Problem, das für die Verringerung der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle verantwortlich ist, technisch einfach erkennen und lösen.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen zueinander in der Vergangenheit abhängig. Hierdurch kann der erste vorgegebene Wert von dem Verhalten der Brennstoffzelle in der Vergangenheit abhängig sein. Somit können Abweichungen von der Norm noch besser detektiert bzw. erkannt werden. Insbesondere können Spannungsabfälle bzw. Spannungsunterschiede, die z.B. bei starker Last auftreten, als normal beurteilt werden, wenn der entsprechende Brennstoffzellenstapel bereits in der Vergangenheit ein derartiges Verhalten gezeigt hat.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens entspricht der erste vorgegebene Wert der Standardabweichung der Verteilung der Spannungen der Brennstoffzellen. Hierdurch kann technisch besonders einfach abhängig von der Verteilung der Spannungen ein erster vorgegebener Wert bestimmt werden. Hierbei ist der erste vorgegebene Wert somit nicht starr bzw. unveränderlich vorgegeben, sondern der erste vorgegebene Wert hängt davon ab, wie stark die Spannungen der Brennstoffzellen streuen.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät zum Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle oder der jeweiligen Brennstoffzelle mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle oder die Brennstoffzellen, bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Medianwert und/oder Mittelwert einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Steuergerät technisch besonders einfach feststellen kann, welches Medium der jeweiligen Brennstoffzelle bzw. den jeweiligen Brennstoffzellen zugeführt bzw. verstärkt zugeführt werden muss, um die Spannung der Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellen in Richtung des Mittelwerts und/oder Medianwerts zu verändern. Beispielsweise kann das Steuergerät technisch einfach erkennen, dass zu wenig Wasserstoff zu der Brennstoffzelle gelangt, wenn die Brennstoffzelle(n) mit entsprechender Abweichung vom Mittelwert und/oder Median sich weiter entfernt als der Durchschnitt der Brennstoffzellen von dem Punkt befindet, an dem dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zugeführt wird. Gleiches gilt entsprechend für die anderen Medien, insbesondere Sauerstoff.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät zum Speichern von Spannungen der Brennstoffzellen ausgebildet, wobei der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen zueinander in der Vergangenheit abhängig ist. Vorteilhaft hieran ist, dass der erste vorgegebene Wert von dem Verhalten der Brennstoffzelle in der Vergangenheit abhängig sein kann. Folglich kann das Brennstoffzellensystem zu große Abweichungen der Spannungen zueinander noch besser detektiert bzw. erkannt werden. Insbesondere können Spannungsabfälle bzw. Spannungsunterschiede, die z.B. bei starker Last auftreten, als normal bzw. als Abweichungen innerhalb des ersten vorgegebenen Werts beurteilt werden, wenn der entsprechende Brennstoffzellenstapel bereits in der Vergangenheit ein derartiges Verhalten gezeigt hat.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das Steuergerät - zum Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle, - zum Vergleichen der Feuchtigkeit mit einem dritten vorgegebenen Wert, und - zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Feuchtigkeit der Membran an der jeweiligen Brennstoffzelle zum Verringern des Unterschieds zwischen der bestimmten Feuchtigkeit und des dritten vorgegebenen Werts ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass das Steuergerät technisch einfach erkennen kann, ob einer Brennstoffzelle oder mehreren Brennstoffzellen mehr Wasser zugeführt werden soll oder weniger bis kein (zusätzliches) Wasser zugeführt werden soll. Somit kann das Steuergerät das Problem, das für die Verringerung der Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle verantwortlich ist, technisch einfach erkennen und lösen.
  • Das die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussende Medium kann beispielsweise Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff und/oder eine Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, umfassen oder sein.
  • Der mindestens eine Energiewandler ist eingerichtet, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln, beispielsweise in elektrische Energie und/oder in Bewegungsenergie. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem/ Brennstoffzellenstapel mit mindestens eine Brennstoffzelle sein.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
  • Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw. ARB) sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathodenzuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
  • Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Kühlkreislauf, der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst zweckmäßig mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen Kühlmittelförderer und mindestens eine Brennstoffzelle. Bevorzugt sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, der von dem Kühlmittel durchflossen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist i.d.R. derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle zirkulieren kann. Insbesondere kann das in der mindestens einen Brennstoffzelle erwärmte Kühlmittel von der Brennstoffzelle in den mindestens einen Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die Brennstoffzelle strömt. Auch wenn hiervon Kühlmittel die Rede ist, ist dieses Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren der mindestens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser mit entsprechenden Additiven zum Einsatz. Das Kühlsystem kann auch zur Wärmegleichverteilung (d.h. die Vermeidung von höheren Temperaturgradienten) innerhalb der Brennstoffzellen bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels genutzt werden.
  • Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen.
  • Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
  • Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
  • Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen. Gasdiffusionsschichten als solche sind bekannt. Eine Gasdiffusionsschicht dient u.a. dazu, die über die Separatorplatten zugeführten Medien auf der Oberfläche des ionenselektiven Separators zu verteilen. Gleichzeitig kann die Gasdiffusionsschicht Produktwasser von dem ionenselektiven Separator abführen und unterstützt beim Wärmeabtransport. Eine Gasdiffusionsschicht kann beispielsweise aus einem porösen Material ausgebildet werden. In der Regel kommen Fasern zum Einsatz. Beispielsweise kann ein Kohlenstoffpapier oder eine Kohlenstoffmatte eine Gasdiffusionsschicht ausbilden.
  • Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens einen Halterahmen, auch Sub-Frame genannt. Der Halterahmen ist eingerichtet, den ionenselektiven Separator zu halten und innerhalb der Einzelzelle zu positionieren. In der Regel umgibt der Halterahmen den ionenselektiven Separator vollständig. Der ionenselektive Separator ist in der Regel weniger steif als der Halterahmen ausgebildet. Vorteilhaft unterbindet der Halterahmen den Medienaustausch zwischen Kathode und Anode. Zweckmäßig ist der Halterahmen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Besonders bevorzugt wird der Halterahmen in einem urformenden Prozess hergestellt, beispielsweise mittels eines Spritzverfahrens oder Schmelzverfahrens.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ein Zellüberwachungssystem umfassen. Das Zellüberwachungssystem (en.: cell voltage monitoring system bzw. CVM-System) kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle zu überwachen. I.d.R. überwacht es den Zustand von einer Vielzahl an Brennstoffzellen. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen bestimmen kann. Vorteilhaft kann somit eine auftretende Degradation bzw. ein Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch eventuell die Lebensdauer in einem gewissen Rahmen erhöht werden und/oder durch geeignete Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden.
  • Vorteilhaft kann mindestens eine Messgröße direkt oder indirekt erfasst werden. Die Messgröße kann insbesondere die elektrische Spannung der überwachten Zelle sein. Vorteilhaft werden die Einzelzellspannungen von mehreren bzw. allen Zellen sowie die Gesamtspannung ermittelt. Bevorzugt wird ferner der durch den Brennstoffzellenstack fließende Strom bestimmt. Aus den gemessenen Spannungen kann das CVM-System beispielsweise einen der folgenden Werte bestimmen: Min-, Max- und Mittelwert der Einzelzellspannung. Vorteilhaft können somit Spannungsabweichungen zwischen den Einzelzellen bzw. zu einem Mittelwert der Einzelzellspannungen erkannt werden. Bevorzugt werden weitere Einzelzellanalyseverfahren durchgeführt, wie beispielsweise eine Impedanzberechnung (z.B: elektrochemische Impedanzspektroskopie).
  • Bevorzugt umfasst das Zellüberwachungssystem mindestens ein Zellüberwachungsmodul (FCSC). Das Zellüberwachungsmodul kann beispielsweise einen Analog-Digital Wandler umfassen, der ein analoges Signal einer Brennstoffzelle in ein digitales Signal umwandelt. Z.B. kann als analoges Eingangssignal die Spannung erfasst werden, die in ein digitales Signal, z.B. ein 12-Bit Signal konvertiert wird. Vorteilhaft kann das Modul mindestens einen Multiplexer umfassen. Der Multiplexer kann ausgebildet sein, die Messsignale der einzelnen Brennstoffzellen einer Zellgruppe zu erfassen und diese analogen Signale dann dem Analog-Digital-Wandler zu senden. Eine solche Einheit kann beispielsweise als Analog Digital Converter Modul (ADC-Modul) bezeichnet werden. Im Falle einer Brennstoffzelle kann man auch von einem Fuel Cell Supervisory Circuit (FCSC) sprechen. Bevorzugt kann das Zellüberwachungsmodul weitere Analysefunktionalitäten des Zellüberwachungssystems umfassen, insbesondere durch Betrachtung von Differenzspannungen unmittelbar benachbarter Separatoren.
  • Das mindestens eine Zellüberwachungsmodul ist in der Regel über einen Datenbus mit mindestens einem Steuergerät verbunden. Als Datenbus kann hier beispielsweise eingesetzt werden: Serial Peripheral Interface (SPI), aber ohne Chip-Select, isoSPI, Controller Area Network (CAN), FlexRay, MOST, Local Interconnect Network (LIN).
  • Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. ausgebildet, über den Datenbus mit dem mindestens einen Zellüberwachungsmodul (=Busteilnehmer) zu kommunizieren. Das Steuergerät kann u.a. ausgebildet sein, die Zellüberwachung zu regeln und/oder zu steuern. Es kann sich dabei um eine Engine Control Unit (ECU) handeln. Beispielsweise kann das Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem auch als Stack Management Unit (SMU) bezeichnet werden.
  • Der Anodenzuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffquelle und der Anode des Brennstoffzellenstapels her. Der Anodenzuströmungspfad kann durch mehrere Anodenzuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Anodenzuströmungspfad miteinander verbinden.
  • Der mindestens eine Rezirkulationsströmungspfad wird auch als Rezirkulationskreis des Anodensubsystems bezeichnet und beginnt i.d.R. am Anodenauslass vom Brennstoffzellenstapel. Der Rezirkulationsströmungspfad mündet stromauf vom Brennstoffzellenstapel an einer Mündung in den Anodenzuströmungspfad. In der Regel ist diese Mündung in der Rezirkulationsstrahlpumpe vorgesehen, sofern das System eine Rezirkulationsstrahlpumpe umfasst. Der Rezirkulationsströmungspfad wird in der Regel durch mehrere Rezirkulationsleitungen ausgebildet, die die im Rezirkulationsströmungspfad angeordneten Komponenten miteinander verbinden. Ein solches Rezirkulationssystem stellt sicher, dass der während der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel unverbrauchte Brennstoff zumindest teilweise wiederverwendet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens ein Anodenspülventil zum Spülen des Anodensubsystems. Ein Anodenspülventil wird auch als Purge-Ventil bezeichnet. Durch das wiederkehrende Öffnen und Schließen des Anodenspülventils werden aus dem Rezirkulationsströmungspfad Anodenabgase entnommen und in einen Abgaspfad (z.B. in eine Anodenspülleitung) eingeleitet. In der Regel ist das Anodenspülventil im, am oder stromab vom Wasserabscheider vorgesehen. Das Anodenspülventil ist regelmäßig ein elektromagnetisches Ventil.
  • Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Wasserabscheider, der in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Wasserabscheider als solche sind bekannt. Ein Wasserabscheider ist eine technische Vorrichtung, um aus Gasgemischen, Aerosolen oder Suspensionen Wasser abzutrennen. Hierbei können unterschiedliche Bauformen und Funktionsprinzipien eingesetzt werden. Bevorzugt kommt ein Flüssigwasserabscheider mit Strömungsumleitung durch Abscheideflächen zum Einsatz. Der Abgaspfad des Brennstoffzellensystems kann ein Abgaspfad des Anodensubsystems und/oder des Kathodensubsystems sein. Der Abgaspfad ist dabei der Pfad, der stromab vom Anodenauslass bzw. vom Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Abgaspfad kann direkt oder indirekt in die Umgebung münden und/oder ein rezirkulierender Pfad (Dead End System) sein.
  • Das Anoden-Subsystem umfasst mindestens einen Rezirkulationsförderer zur Förderung von Brennstoff in den Anodenzuströmungspfad. Der Rezirkulationsförderer ist zweckmäßig im Rezirkulationsströmungspfad angeordnet. Der Rezirkulationsförderer wird insbesondere nicht von einer Strahlpumpe ausgebildet.
  • Strahlpumpen bzw. Saugstrahlpumpe als solche sind bekannt. Sie sind als Venturidüse ausgebildet. Eine Strahlpumpe umfasst generell ein Rohrstück mit einer Querschnittsverengung, bspw. durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. An dieser verengten Stelle oder benachbart hierzu endet ein Förderkanal. Das Ende des Förderkanals wird vom durch das Rohrstück strömenden Medium umströmt, das als Treibmittel fungiert. Mit einer solchen Strahlpumpe lässt sich vorteilhaft die im Treibmittel enthaltene Strömungsenergie zum Fördern des Fördermediums aus dem Förderkanal nutzen. Eine solche Strahlpumpe ist vergleichsweise günstig, ausfallsicher und benötigt vergleichsweise wenig Platz. Besonders bevorzugt ist die Strahlpumpe ein Ejektor; also eine Strahlpumpe, die einen Unterdruck erzeugt und somit eine absaugende Wirkung hat.
  • Der Kathodenzuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen dem mindestens einen Oxidationsmittelförderer und der Kathode des Brennstoffzellenstapels her. Der Kathodenzuströmungspfad kann durch mehrere Kathodenzuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Kathodenzuströmungspfad miteinander verbinden.
  • Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren bzw. ein Brennstoffzellensystem, bei dem das Steuergerät die Spannungen der Brennstoffzellen ermittelt und die Zellspannungsverteilung (respektive die stochastische Varianz) entlang des Brennstoffzellenstapels auswertet. Die Zellspannungsverteilung gibt nämlich Aufschluss darüber, welche der (zum Teil unbekannten oder sehr schwer modellierbaren) Betriebsgrößen wie Feuchteverteilung, etc. im Brennstoffzellenstapel nicht im optimalen Bereich sind. Bei einer optimalen gleichmäßigen Medienversorgung aller Brennstoffzellen entlang des Brennstoffzellenstapels, weisen die Brennstoffzellen eine im Wesentlichen gleichmäßige Zellspannung bzw. eine sehr geringe Varianz der Spannungen auf.
  • Der Mittelwert kann insbesondere ein arithmetischer Mittelwert sein.
  • Die Menge und/oder Volumenstrom und/oder der Druck des die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums (z.B. Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser) kann insbesondere nicht nur an der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, an der bzw. denen die Spannung von dem Mittelwert und/oder Medianwert um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, erhöht oder erniedrigt werden, sondern die Menge und/oder der Volumenstrom und/oder der Druck des die Spannung der Brennstoffzelle beeinflussenden Mediums kann am Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack insgesamt erhöht oder erniedrigt werden, so dass die Menge und/oder der Volumenstrom und/oder der Druck des Mediums auch an bzw. bei den Brennstoffzellen, deren Spannung von dem Mittelwert und/oder Medianwert um weniger als den ersten vorgegebenen Wert abweicht, erhöht oder erniedrigt wird.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand einer Figur erläutert. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie.
  • 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 20 und ein Steuergerät 40 zum Regeln und/oder Steuern des Brennstoffzellenstapels 20.
  • Das Brennstoffzellensystem kann in einem Kraftfahrzeug 10 angeordnet sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann ein PKW, ein LKW, ein Bus, ein Motorrad, ein Schiff, ein Fahrrad oder ein Flugzeug sein. Das Brennstoffzellensystem stellt elektrische Energie zur Verfügung, die zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden kann.
  • Der Brennstoffzellenstapel 20 umfasst mehrere Brennstoffzellen 30-35, insbesondere eine Vielzahl von Brennstoffzellen 30-35. Die Anzahl an Brennstoffzellen 30-35 kann z.B. einige Dutzend oder mehrere Hundert betragen. Die Brennstoffzellen 30-35 sind üblicherweise in Reihe bzw. in Serie geschaltet.
  • Die Brennstoffzellen 30-35 werden mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt. Zudem wird dafür gesorgt, dass die Membran zwischen Anode und Kathode feucht ist.
  • Das Steuergerät 40 erfasst oder misst die Spannungen der Brennstoffzellen 30-35. Insbesondere wird die Einzelspannung jeder Brennstoffzelle 30-35 erfasst bzw. gemessen, z.B. mittels eines Strommessgeräts. Die Spannungen der Brennstoffzellen 30-35 werden statistisch bzw. stochastisch analysiert. Insbesondere kann ein Mittelwert und/oder ein Medianwert von mehreren Brennstoffzellen 30-35 gebildet werden.
  • Mit diesem Mittelwert und/oder Medianwert kann die Einzelspannung jeder Brennstoffzelle 30-35 verglichen werden. Die Einzelspannung der Brennstoffzelle 30-35, die mit dem Mittelwert und/oder Median verglichen wird, kann Teil der Berechnung des Mittelwerts und/oder Medianwerts sein. Möglich ist auch, dass die Einzelspannung der Brennstoffzelle 30-35, die mit dem Mittelwert und/oder Medianwert verglichen wird, nicht in die Berechnung des Mittelwerts und/oder Medianwerts eingeflossen ist.
  • Wenn die Spannung einer Brennstoffzelle 30-35 oder die jeweiligen Spannungen mehrerer Brennstoffzellen 30-35 (z.B. mindestens zwei, drei, vier oder mehr) oder der Durchschnittswert bzw. Mittelwert oder Medianwert der mehreren Brennstoffzellen 30-35 von dem Mittelwert und/oder Medianwert um mehr als ein erster vorgegebener Wert abweicht (d.h. der Unterschied zwischen dem Durchschnittswert bzw. Mittelwert oder dem Medianwert und der erfassten bzw. gemessenen Spannung ist größer als der erste vorgegebene Wert oder gleich dem ersten vorgegebenen Wert), können durch das Steuergerät 40 Maßnahmen ergriffen werden, um die Spannung der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 oder jeweiligen Brennstoffzellen 30-35 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Insbesondere kann die Spannung der Brennstoffzellen 30-35 vergleichmäßigt werden, d.h. die Spannung der Brennstoffzellen 30-35, deren Spannung zu stark (gleich dem ersten vorgegebenen Wert oder mehr als der erste vorgegebene Wert) von dem Mittelwert und/oder Medianwert abweicht, wird dem Mittelwert und/oder Medianwert angenähert. Dies wird erreicht, indem ein Medium oder mehrere Medien, die die Spannung der Brennstoffzelle 30-35 beeinflussen, verstärkt oder vermindert der Brennstoffzelle 30-35 oder Brennstoffzellen 30-35 oder dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt zugeführt wird bzw. werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres Medium oder mehrere weitere Medien den Brennstoffzellen 30-35 bzw. dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt zugeführt werden.
  • Der erste vorgegebene Wert kann z.B. ca. 10% oder ca. 20% des Mittelwerts oder Medianwerts betragen. Dies bedeutet, dass ein unerwünschtes Abweichen der Spannung einer Brennstoffzelle 30-35 von dem Mittelwert und/oder Medianwert festgestellt wird, wenn die Spannung einer Brennstoffzelle 30-35 um mehr als 10% bzw. mehr als 20% von dem Mittelwert und/oder Medianwert abweicht. Der erste vorgegebene Wert kann von der Verteilung der Spannungswerte der Brennstoffzellen 30-35 abhängen. Z.B. kann der erste vorgegebene Wert die Standardabweichung von dem Mittelwert der Spannungen der Brennstoffzellen 30-35 sein.
  • Möglich ist auch, dass der erste vorgegebene Wert ein fester Wert, wie z.B. ca. 100 mV oder ca. 50 mV, ist.
  • Wenn das Steuergerät 40 eine unerwünschte Abweichung festgestellt wurde, d.h. der Spannungswert einer Brennstoffzelle 30-35 weicht vom Mittelwert und/oder Median mehr als der erste vorgegebene Wert ab, so wird dieser Brennstoffzelle 30-35 oder diesen Brennstoffzellen 30-35 oder dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt eine größere Menge eines bestimmten Mediums (Erhöhung des Zuflusses des Mediums) oder eine geringere Menge eines bestimmten Mediums (Verringern des Zuflusses des Mediums) zur Verfügung gestellt. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, den Druck und/oder den Volumenstrom/die Durchflussrate des bestimmten Mediums an der Brennstoffzelle 30-35 oder den Brennstoffzellen 30-35 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Somit kann auch die Menge und/oder der Druck und/oder der Volumenstrom/die Durchflussrate eines bestimmten Mediums in eine Richtung (Erhöhung oder Erniedrigung) verändert werden, und die Menge und/oder der Druck und/oder der Volumenstrom eines anderen Mediums in die entgegengesetzte Richtung (Erniedrigung oder Erhöhung) verändert werden.
  • Wird beispielsweise bei Brennstoffzellen 30-35, die sich näher an der geometrischen Mitte des Brennstoffzellenstapels 20 befinden als die äußeren bzw. äußersten Brennstoffzellen 30-35, festgestellt, dass bei diesen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Medianwert der Spannung der Brennstoffzellen 30-35 von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, so kann das Steuergerät 40 aufgrund der Anordnung der Brennstoffzellen 30-35 feststellen, dass dies wohl durch eine zu große Erwärmung der Brennstoffzellen 30-35 in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 20 verursacht wird. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 den Kühlmittelzufluss bzw. den Zufluss des Mediums bzw. das Vorhandenseins des Kühlmediums (z.B. Wasser und/oder Luft und/oder Gas) an dieser Brennstoffzelle 30-35 bzw. diesen Brennstoffzellen 30-35 oder in dem Brennstoffzellenstapel 20 insgesamt erhöhen. Hierdurch wird die Kühlung der Brennstoffzelle und/oder der Gase an bzw. in der Brennstoffzelle verstärkt, wodurch die Spannung der Brennstoffzelle 30-35 bzw. Brennstoffzellen 30-35 steigen sollten und sich dem Mittelwert und/oder Medianwert annähern sollten.
  • Wird beispielsweise bei Brennstoffzellen 30-35, deren geometrischer Mittelpunkt um mindestens einen zweiten vorgegebenen Wert weiter von dem Zuflusspunkt bzw. Zuströmungspunkt eines Mediums (z.B. Wasserstoff) als der geometrische Mittelpunkt der anderen Brennstoffzellen 30-35 des Brennstoffzellenstapels 20 (insbesondere der Brennstoffzellen 30-35, deren Spannungswerte in die Bildung des Mittelwerts bzw. Medianwerts eingeflossen sind) entfernt ist, von dem Steuergerät 40 festgestellt werden, dass den Brennstoffzellen 30-35, bei denen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Median der Spannung von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, eine Unterversorgung mit diesem Medium (z.B. Wasserstoff) vorliegt, der den größeren Spannungsabfall bei den Brennstoffzellen 30-35 verursacht. Dementsprechend kann das Steuergerät 40 den Druck des entsprechenden Mediums (z.B. Wasserstoff) erhöhen, so dass auch bei den Brennstoffzellen 30-35, die am Ende der Durchströmungsrichtung des entsprechenden Mediums liegen (d.h. die einen großen Abstand zu dem Zuflusspunkt des Mediums aufweisen), genügend bzw. ausreichend Medium (z.B. Wasserstoff) gelangt.
  • Das Steuergerät 40 kann bei den Brennstoffzellen 30-35, bei denen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Median der Spannung von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, eine Impedanzmessung durchführen. Hierdurch kann der Wassergehalt bzw. die Feuchtigkeit der Membran der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 bestimmt werden. Somit kann das Steuergerät 40 bei den Brennstoffzellen 30-35, bei denen eine Abweichung vom Mittelwert und/oder Median der Spannung von mehr als der erste vorgegebene Wert vorliegt, oder bei allen Brennstoffzellen 30-35 eine Impedanzmessung durchführen und durch Vergleich der erfassten Wert bestimmen, ob die festgestellte Spannungsabweichung aufgrund zu hoher bzw. zu niedriger Feuchtigkeit aufritt. Der erfasste Feuchtigkeitswert kann mit einem dritten vorgegebenen Wert, der den optimalen Wert bzw. Wunschwert angibt, verglichen werden.
  • Dementsprechend kann mehr Wasser von der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 abtransportiert werden oder es kann zusätzlich zu dem von der Brennstoffzelle 30-35 produzierten Wasser zusätzliches Wasser zu der Brennstoffzelle 30-35 bzw. Membran der Brennstoffzelle 30-35 geführt werden. Hierbei wird versucht, den Unterschied zwischen dem erfassten Feuchtigkeitswert der jeweiligen Brennstoffzelle 30-35 und dem dritten vorgegebenen Wert zu verringern oder zu minimieren.
  • Die Impedanzmessung kann z.B. durch Anlegen eines geringen Wechselstroms an die jeweilige Brennstoffzelle 30-35 durchgeführt werden.
  • Es ist auch möglich, dass der überdurchschnittliche Spannungsabfall durch eine Verstopfung von Kanälen in einer Bipolarplatte der Brennstoffzelle 30-35 mit (von der Brennstoffzelle 30-35 produziertem) Wasser verursacht wird. Das überschüssige Wasser kann durch stoßartiges Zuführen eines Mediums durch den Brennstoffzellenstapel 20 ausgetrieben werden. Auf diese Weise wird die Verstopfung behoben. Somit kann z.B. durch kurzzeitiges schnelles Erhöhen des Drucks eines Mediums (z.B. Wasserstoff), das durch den Brennstoffzellenstapel 20 strömt, das Wasser ausgetrieben werden und folglich den Brennstoffzellen 30-35, deren Spannung mehr als der erste vorgegebene Wert von dem Mittelwert und/oder Median abweicht, mehr Medium (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden.
  • Möglich ist auch, dass das Steuergerät 40 nacheinander mehrere der oben genannten Maßnahmen durchführt, insbesondere wenn die erste Maßnahme die Spannung der Brennstoffzelle 30-35 nicht derart dem Mittelwert und/oder Median angenähert hat, dass die Abweichung kleiner als der erste vorgegebene Wert ist.
  • Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. das/ein Brennstoffzellensystem, das/ein Steuergerät 40 etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. das mindestens eine Brennstoffzellensystem, das mindestens eine Steuergerät 40 etc.).
  • Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“).
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Kraftfahrzeug
    20
    Brennstoffzellenstapel
    30-35
    Brennstoffzelle
    40
    Steuergerät

Claims (10)

  1. Verfahren zum Überwachen von Spannungen von Brennstoffzellen (30-35) in einem Brennstoffzellenstapel (20), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen (30-35); Bestimmen eines Medianwerts und/oder eines Mittelwerts der Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20); Vergleichen der Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder von Spannungen mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) mit dem Medianwert und/oder dem Mittelwert; Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) von dem Mittelwert und/oder dem Medianwert um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht; und Erhöhen oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen festgestellt wurde, dass die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) von dem Mittelwert und/oder Medianwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner folgenden Schritt aufweisend: Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) oder der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle (30-35) oder die Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Median und/oder im Mittel einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels (20).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner folgenden Schritt aufweisend: Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen (30-35) zueinander in der Vergangenheit abhängig ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste vorgegebene Wert der Standardabweichung der Verteilung der Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) entspricht.
  6. Brennstoffzellensystem umfassend einen Brennstoffzellenstapel (20) mit mehreren Brennstoffzellen (30-35) und ein Steuergerät (40) zum Überwachen der Brennstoffzellen (30-35), wobei das Steuergerät (40) zum Erfassen der Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen (30-35), zum Feststellen, ob die Spannung einer Brennstoffzelle (30-35) oder mehrerer Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens einen ersten vorgegebenen Wert abweicht, und zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Menge und/oder des Volumenstroms und/oder des Drucks eines die Spannung der Brennstoffzelle (30-35) beeinflussenden Mediums an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen die Spannung von dem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den vorgegebenen Wert abweicht, ausgebildet ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei das Steuergerät (40) zum Bestimmen einer Unterversorgung der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) oder der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) mit einem Medium, wenn die Brennstoffzelle (30-35) oder die Brennstoffzellen (30-35), bei der oder denen die Spannung von einem Medianwert und/oder Mittelwert der Spannungen mehrerer der Brennstoffzellen (30-35) des Brennstoffzellenstapels (20) um mindestens den ersten vorgegebenen Wert abweicht, im Median und/oder im Mittel einen mindestens um einen zweiten vorgegebenen Wert größeren Abstand zu dem Punkt der Zuführung des jeweiligen Mediums aufweisen als der Mittelpunkt des Brennstoffzellenstapels (20) ausgebildet ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Steuergerät (40) zum Speichern von Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) ausgebildet ist, wobei der erste vorgegebene Wert von den durchschnittlichen Spannungen der Brennstoffzellen (30-35) und/oder von den durchschnittlichen Spannungsabweichungen der Brennstoffzellen (30-35) zueinander in der Vergangenheit abhängig ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6-8, wobei das Steuergerät (40) - zum Durchführen einer Impedanzmessung an der Brennstoffzelle (30-35) oder den Brennstoffzellen (30-35), bei denen die Spannung um mehr als den ersten vorgegebenen Wert von dem Medianwert und/oder Mittelwert abweicht, zum Bestimmen der Feuchtigkeit einer Membran der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35), - zum Vergleichen der Feuchtigkeit mit einem dritten vorgegebenen Wert, und - zum Erhöhen und/oder Erniedrigen der Feuchtigkeit der Membran an der jeweiligen Brennstoffzelle (30-35) zum Verringern des Unterschieds zwischen der bestimmten Feuchtigkeit und des dritten vorgegebenen Werts ausgebildet ist.
  10. Kraftfahrzeug (10) mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6-9.
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