DE102022208221A1 - Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands zumindest einer Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels (10), wobei das Verfahren als einen Schritt ein Bereitstellen (320) eines Brennstoffzellensystems (100) mit dem Brennstoffzellenstapel (10) umfasst, wobei ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) frei von einem Oxidationsmittel ist. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anlegen (360) zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals an zumindest eine Brennstoffzelle, dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegt werden. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Erfassen (380) zumindest einer Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Ermitteln (400) des elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort.

Description

  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, bei denen z.B. Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt werden.
  • Die porösen Elektroden einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, meistens Katalysatorschicht genannt, können Platin-Partikel (Katalysator) aufweisen, die auf größeren Kohlenstoffpartikeln geträgert sind. Diese Kohlenstoffphase sorgt für einen Elektronen- und Wärmetransport. Zudem kann die Schicht mit lonomer durchzogen sein, um die Protonenleitfähigkeit zu gewährleisten. Für die elektrochemische Reaktion sind Dreiphasengrenzen (engl. Triple Phase Boundary, TPB) erforderlich, die durch das Zusammentreffen von Platin, lonomer und Reaktant entstehen. Die Membran befindet sich im Zentrum des Aufbaus und kann hauptsächlich lonomer aufweisen. Die Funktion dieser Membran ist es, Wasserstoffprotonen von der Anodenelektrode zur Kathodenelektrode möglichst verlustarm zu transportieren, aber auch beide Gasräume voneinander zu trennen (Gasdichtigkeit) sowie elektrisch isolierend zu wirken. Die Protonenleitfähigkeit einer gegebenen Membran hängt hauptsächlich von zwei Parametern ab: Temperatur und Wassergehalt, wobei letzteres sehr stark mit dem Brennstoffzellenstrom und der Gaskanalfeuchte gekoppelt ist.
  • Da der Membranwiderstand ein wichtiger Indikator für die Brennstoffzellenperformance ist, ist es wichtig, diesen im Betrieb zu überwachen. Ist der Widerstand zu hoch, so kann die Gesamtperformance schlecht sein und es kann Austrocknung drohen. Trockene Zustände können außerdem schlecht für die Lebensdauer sein, da eine Membran bei gegebenem Strom im trockenen Zustand wärmer wird als im befeuchteten Zustand. Sehr feuchte Zustände können in extremen Situationen auf mögliche Flutungseffekte der Elektroden hinweisen. Bekannt ist es den Membranwiderstand mittels Wechselstrom- oder Wechselspannungsmessung zu bestimmen, wobei im Betrieb ein AC-Signal dem DC-Zustand überlagert wird und die Antwort des Systems aufgenommen wird. Über Amplitudenverhältnisse und Phasenverschiebung kann die elektrochemische Impedanz (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) bestimmt werden. Es kann hierbei entweder eine fixe Frequenz kontinuierlich überlagert und mitgemessen werden (High Frequency Resistance, HFR), oder es wird in gegebenen Situationen ein komplettes elektrochemisches Impedanzspektrum gemessen, wobei die Frequenzen meistens vom Kiloherzbereich bis zum Milliherzbereich abgetastet werden, was sehr zeitaufwendig sein kann.
  • Eine weitere bekannte Methode ist die sogenannte „Current Interruption“ Methode. Bei dieser komplexen Methode wird die Last unterbrochen und die Antwort der Brennstoffzelle hochfrequent abgetastet. Anschließend wird über mathematische Analysen der Ohm'sche Widerstand bestimmt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
  • Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, wobei jede Brennstoffzelle einer Mehrzahl an Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels jeweils eine Anodenseite, eine Kathodenseite sowie eine Membran aufweist. Das Verfahren umfasst als einen ersten Schritt ein Bereitstellen des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoffzellenstapel, wobei ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases ist. Außerdem umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anlegen zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals an zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen des bereitgestellten Brennstoffzellenstapels, dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegt werden. Außerdem umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Erfassen zumindest einer Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal. Außerdem umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Ermitteln des elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort.
  • Die zuvor und die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Insbesondere können die genannten Schritte wiederholend, bspw. jeweils zumindest einmal während einer Fahrt eines Fahrzeuges, durchgeführt werden, um wiederholend jeweils einen elektrischen Widerstand der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels oder einen elektrischen (Gesamt-)Widerstand des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems basierend auf dem jeweils zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der jeweils zumindest einen erfassten Signalantwort zu ermitteln. Somit kann ein elektrischer Widerstand der Brennstoffzelle, insbesondere ein Membranwiderstand, über die Zeit überwacht werden. Durch das Überwachen des Membranwiderstands kann auf eine Brennstoffzellenperformance rückgeschlossen werden.
  • Insbesondere umfasst der Brennstoffzellenstapel Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten, wobei die Bipolarplatten und Membranelektrodeneinheiten abwechselnd übereinander gestapelt sind. An den beiden Enden des Brennstoffzellenstapels kann der Brennstoffzellenstapel jeweils eine Endplatte aufweisen. Insbesondere umfasst eine Membranelektrodeneinheit eine Membran mit einer ersten Membranseite und eine der ersten Membranseite gegenüberliegende zweite Membranseite, eine an die erste Membranseite der Membran angeordnete Anodenelektrode, eine an die zweite Membranseite der Membran angeordnete Kathodenelektrode, eine an die Anodenelektrode angeordnete Anodenelektrodenkatalysatorschicht und/oder eine an die Kathodenelektrode angeordnete Kathodenelektrodenkatalysatorschicht und/oder eine Kathodengasdiffusionslage zumindest zur Verteilung eines Kathodengases an die Kathodenelektrode und/oder eine Anodengasdiffusionslage zumindest zur Verteilung eines Anodengases an die Anodenelektrode. Ferner ist insbesondere der Brennstoffzellenstapel ein Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel.
  • Merkmale und/oder Details und/oder Ausführungen und/oder Vorteile die zu der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels bzw. einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels geäußert sind, können auch auf die weiteren Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels übertragen werden, und umgekehrt.
  • Insbesondere umfasst eine Anodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle eine Anodenplattenhälfte einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels, eine Anodenelektrode und eine an die Anodenelektrode angeordnete Anodenelektrodenkatalysatorschicht. Zusätzlich kann die Anodenseite noch eine Anodengasdiffusionslage aufweisen.
  • Insbesondere umfasst eine Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle eine Kathodenplattenhälfte einer Bipolarplatte des Brennstoffzellenstapels, eine Kathodenelektrode und eine an die Kathodenelektrode angeordnete Kathodenelektrodenkatalysatorschicht. Zusätzlich kann die Kathodenseite noch eine Kathodengasdiffusionslage aufweisen.
  • Der elektrische Widerstand der zumindest einen Brennstoffzelle umfasst insbesondere zumindest einen (elektrischen bzw. elektronischen) Kontaktwiderstand, bspw. einen (elektrischen bzw. elektronischen) Kontaktwiderstand zwischen zwei Komponenten der Brennstoffzelle wie einer Bipolarplatte und einer Gasdiffusionslage, und/oder zumindest einen (elektrischen bzw. elektronischen) Schichtwiderstand, bspw. einen Schichtwiderstand einer Gasdiffusionslage, und/oder zumindest einen Kinetikwiderstand, bspw. einen Widerstand der Sauerstoffkinetik oder der Wasserstoffkinetik, und/oder einen Membranwiderstand. Der Membranwiderstand kann auch als protonisch ohmscher Widerstand verstanden werden. Kontaktwiderstände und/oder Schichtwiderstände können im Betrieb des Brennstoffzellensystems nahezu konstant bleiben, sodass es ausreichend sein kann, diese einmalig zu bestimmen und dann immer vom ermittelten elektrischen Widerstand abzuziehen, um den Membranwiderstand zu ermitteln. Bspw. kann ein Schichtwiderstand einer Anodengasdiffusionslage bereits vor dem Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels erfolgen, d. h. an der Anodengasdiffusionslage als Einzelteil. Der derart ermittelte Schichtwiderstand kann in einer Ermittlungseinheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems hinterlegt sein.
  • Das Brennstoffzellensystem mit dem Brennstoffzellenstapel kann bspw. an einem Fahrzeug, bspw. einem Brennstoffzellenfahrzeug, bereitgestellt sein.
  • Das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal kann ein Spannungssignal sein, wobei als Reaktion auf das Spannungssignal (als das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal) ein Stromsignal als die zumindest eine Signalantwort erfasst wird. Das Spannungssignal als elektrisches Prüfsignal kann bspw. mittels einer Spannungsmesseinheit, bspw. einem Voltmeter, erfasst werden und/oder kann das Stromsignal als die zumindest eine Signalantwort mittels einer Strommesseinheit, bspw. einem Amperemeter, erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal ein Stromsignal ist, wobei als Reaktion auf das Stromsignal (als das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal) ein Spannungssignal als die zumindest eine Signalantwort erfasst wird. Das Stromsignal als elektrisches Prüfsignal kann bspw. mittels einer Strommesseinheit, bspw. einem Amperemeter, erfasst werden und/oder kann das Spannungssignal als die zumindest eine Signalantwort mittels einer Spannungsmesseinheit, bspw. einem Voltmeter, erfasst werden. Insbesondere umfasst eine Erfassungseinheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems die Strommesseinheit und/oder die Spannungsmesseinheit. Vorteilhafterweise werden als Spannungsmesseinheit und/oder Strommesseinheit für den Betrieb bzw. für die Überwachung des Brennstoffzellensystems bereits vorhandene Komponenten verwendet.
  • Insbesondere wird an die zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen ein derartiges elektrisches Prüfsignal angelegt, welches zumindest zeitweise eine erste Signalhöhe und zumindest zeitweise eine von der ersten Signalhöhe unterschiedliche zweite Signalhöhe aufweist, wobei sowohl für die erste Signalhöhe als auch für die zweite Signalhöhe (jeweils) die Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegt werden. Das Bewegen der Anodengasprotone kann auch als Protonenpumpen verstanden werden. Insbesondere wird an die zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen ein derartiges elektrisches Prüfsignal angelegt, dass der Brennstoffzellenstapel zumindest zeitweise eine negative Brennstoffzellenstapelpotentialdifferenz aufweist, wobei sich insbesondere der Wert der negativen Brennstoffzellenstapelpotentialdifferenz über die Zeit zumindest einmal verändert, insbesondere signifikant verändert. Bspw. kann als das zumindest eine elektrische Prüfsignal ein stufenförmiges Stromsignal angelegt werden, wobei zeitweise bspw. 5 A(mpere) und zeitweise bspw.
    10 A(mpere) an die zumindest eine Brennstoffzelle angelegt werden. Als die Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf ein stufenförmiges Stromsignal kann ein stufenförmiges oder im Wesentlichen stufenförmiges Spannungssignal erfasst werden. Aus dem stufenförmigen Stromsignal als das zumindest eine elektrische (angelegte) Prüfsignal und dem stufenförmigen Spannungssignal als die zumindest eine Signalantwort kann der elektrische Widerstand der Brennstoffzelle ermittelt werden.
  • Das Ermitteln des elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort erfolgt insbesondere mit Hilfe des ohmschen Gesetzes, bspw. durch eine Ermittlungseinheit eines erfindungsgemäßen Bren nstoffzel lensystems.
  • Dadurch, dass das Brennstoffzellensystem mit dem Brennstoffzellenstapel frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases ist, wird die Anzahl an Reaktionspartnern besonders geringgehalten und es kann auf besonders einfache Art und Weise ein elektrischer Widerstand der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels ermittelt werden und somit kann auch das Überwachen des Brennstoffzellenstapels besonders einfach und/oder kostengünstig und/oder schnell erfolgen. Das Kathodengas kann bspw. Luft sein, wobei der Sauerstoff in der Luft das Oxidationsmittel des Kathodengases darstellt. Vorteilhafterweise kann ferner durch ein erfindungsgemäßes Ermitteln des elektrischen Widerstands zusätzlich auch eine Kathodenkatalysatorschicht gereinigt werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems in einem definierten Zustand bereitgestellt wird. Somit kann das Ermitteln des elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels bzw. des Brennstoffzellenstapels besonders genau erfolgen und der elektrische Widerstand der zumindest einen Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels, insbesondere ein Membranwiderstand, über die Zeit besonders vorteilhaft überwacht werden. Der Brennstoffzellenstapel kann bspw. eine festlegbare Zeitdauer betrieben worden sein und/oder weist eine Membran des Brennstoffzellenstapels eine festlegbare Mindest-Feuchtigkeit auf und/oder weist der Brennstoffzellenstapel eine festlegbare Mindest-Temperatur auf.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kathodengaszufuhr des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Kathodengas zu den Kathodenseiten der Mehrzahl an Brennstoffzellen fluidtechnisch unterbrochen wird und insbesondere der Brennstoffzellenstapel zumindest zeitweise elektrisch belastet wird, um das Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases zu bringen. Somit kann auf besonders einfache Weise das Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases gebracht werden. Zuvor kann noch in einem zusätzlichen Schritt eine Leistung des Brennstoffzellenstapels heruntergefahren werden. Das fluidtechnische Unterbrechen der Kathodengaszufuhr des Brennstoffzellensystems zum Zuführen von Kathodengas zu den Kathodenseiten der Mehrzahl an Brennstoffzellen kann durch ein Schließen eines Ventils an dem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels erfolgen. Durch ein Stromabgreifen kann weiterhin eine Brennstoffzellen-Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel des Kathodengases und dem Reduktionsmittel des Anodengases erzwungen werden, sodass das Oxidationsmittel, bspw. Sauerstoff, des Kathodengases komplett oder im Wesentlichen komplett reduziert wird und das Zellpotential auf den Nullpunkt oder im Wesentlichen auf den Nullpunkt gebracht wird. Dass das Oxidationsmittel verbraucht ist oder im Wesentlichen verbraucht ist, kann bspw. durch ein Erfassen und Auswerten einer Brennstoffzellenstapelpotentialdifferenz und/oder ein Erfassen und Auswerten eines Stromes durch den Brennstoffzellenstapel erkannt werden. Auf einer jeweiligen Anodenseite der Mehrzahl an Brennstoffzellen kann weiterhin das Reduktionsmittel, bspw. Wasserstoff, strömen, wobei insbesondere sich auf der jeweiligen Kathodenseite der Mehrzahl an Brennstoffzellen Wasser und Stickstoff oder im Wesentlichen Wasser und Stickstoff (bei Luft als Kathodengas) befinden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als das zumindest eine elektrische Prüfsignal zumindest zeitweise ein stufenförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein rampenförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein sprungförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein diskretes Signal angelegt wird. Insbesondere weist das zumindest zeitweise stufenförmige Signal und/oder das zumindest zeitweise rampenförmige Signal und/oder das zumindest zeitweise sprungförmige Signal und/oder das zumindest zeitweise diskrete Signal zumindest eine erste Signalhöhe und eine von der ersten Signalhöhe unterschiedliche zweite Signalhöhe auf. Ferner ist denkbar, dass zeitlich nacheinander unterschiedliche elektrische Prüfsignale angelegt werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren als das zumindest eine elektrische Prüfsignal ein Stromsignal mit steigender Stromstärke angelegt wird, wobei als die zumindest eine Signalantwort eine Spannung erfasst wird. Somit kann auf besonders einfache Weise der elektrische Widerstand der zumindest einen Brennstoffzelle ermittelt werden. Bspw. kann bei einem stufenförmigen Signal als das zumindest eine elektrische Prüfsignal zumindest eine erste Signalhöhe und eine von der ersten Signalhöhe unterschiedliche zweite Signalhöhe angelegt werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das zumindest eine elektrische Prüfsignal an zumindest zwei Brennstoffzellen der Mehrzahl an Brennstoffzellen des bereitgestellten Brennstoffzellenstapels derart angelegt wird, dass Anodengasprotone jeweils in den zumindest zwei Brennstoffzellen von einer jeweiligen Anodenseite über die jeweilige Membran der jeweiligen Brennstoffzelle zu der jeweiligen Kathodenseite der jeweiligen Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen bewegt werden. Somit kann von mehreren Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels der elektrische Widerstand ermittelt werden und ein Überwachen des Brennstoffzellenstapels besonders genau erfolgen. Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren für eine jeweilige Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen jeweils ein elektrischer Widerstand basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und einer jeweiligen erfassten Signalantwort ermittelt wird oder dass ein elektrischer Gesamtwiderstand für die zumindest zwei Brennstoffzellen basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der erfassten Signalantwort ermittelt wird. Wird für die jeweilige Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen jeweils ein elektrischer Widerstand basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und einer jeweiligen erfassten Signalantwort ermittelt, so kann die jeweilige Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen überwacht werden und bspw. eine defekte Brennstoffzelle besonders einfach lokalisiert werden. Wird der elektrische Gesamtwiderstand für die zumindest zwei Brennstoffzellen basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der erfassten Signalantwort ermittelt, so kann besonders einfach und mit besonders geringem Aufwand zumindest überwacht werden, ob in dem Brennstoffzellenstapel bspw. eine fehlerhafte Membran vorliegt. Bspw. kann für das Ermitteln des elektrischen Gesamtwiderstands das elektrische Prüfsignal an zwei Stromabnehmerplatten des Brennstoffzellenstapels angelegt werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal, der zumindest einen erfassten Signalantwort sowie zusätzlich auf zumindest einem Schichtwiderstand und/oder zumindest einem Kontaktwiderstand und/oder zumindest eines Kinetikwiderstands wenigstens des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der zumindest einen Brennstoffzelle, ein Membranwiderstand der Membran der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird. Insbesondere können der zumindest eine Schichtwiderstand und/oder der zumindest eine Kontaktwiderstand und/oder der zumindest eine Kinetikwiderstand wenigstens des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der zumindest einen Brennstoffzelle vorab ermittelt bzw. gemessen werden und jeweils in einer Ermittlungseinheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems hinterlegt werden. Für das Ermitteln des Membranwiderstands können der zumindest eine Schichtwiderstand und/oder der zumindest eine Kontaktwiderstand und/oder der zumindest eine Kinetikwiderstand abgezogen werden.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Verfahren zum Ermitteln des elektrischen Widerstands durchgeführt wird, wenn eine Reduktion einer elektrischen Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel erkannt und/oder vorhergesehen wird. Somit kann das Ermitteln des elektrischen Widerstands bspw. auch während einer Fahrt eines Fahrzeuges durchgeführt werden, bspw. bei einem Stand an einer Ampel.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren zum Ermitteln des elektrischen Widerstands erfolgen, wenn erkannt wird, dass eine elektrische Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel durch eine Puffereinheit des Brennstoffzellensystems pufferbar ist. Die Puffereinheit kann eine Batterie sein, bspw. eine Fahrzeugbatterie. Mit dem Ausdruck „dass das Verfahren zum Ermitteln des elektrischen Widerstands durchgeführt wird“ soll ausgedrückt werden, dass eine Startbedingung für die Schritte des Bereitstellen des Brennstoffzellenstapels, wobei ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases ist, sowie das Anlegen des elektrischen Prüfsignals, sowie das Erfassen der zumindest einen Signalantwort, sowie das Ermitteln des elektrischen Widerstands sein kann, dass eine Reduktion einer elektrischen Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel erkannt und/oder vorhergesehen wird und/oder dass eine elektrische Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel durch eine Puffereinheit des Brennstoffzellensystems pufferbar ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen jeweils eine Anodenseite, eine Kathodenseite sowie eine Membran aufweist. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Kontrolleinheit, zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoffzellenstapel, wobei die Kontrolleinheit dazu ausgebildet ist, ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases zu bringen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Prüfsignalgeneratoreinheit zum Anlegen zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals an zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen, dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegbar sind. Insbesondere ist die Prüfsignalgeneratoreinheit ferner dazu ausgebildet ein derartiges Prüfsignal anzulegen, dass das zumindest eine elektrische Prüfsignal (wenigstens) zumindest zeitweise eine erste Signalhöhe und zumindest zeitweise eine von der ersten Signalhöhe unterschiedliche zweite Signalhöhe aufweist, um Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle zu bewegen. Das Brennstoffzellensystem umfasst weiter eine Erfassungseinheit zum Erfassen zumindest einer Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal. Das Brennstoffzellensystem umfasst außerdem eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln zumindest eines elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle, insbesondere eines Membranwiderstands der Membran der zumindest einen Brennstoffzelle, des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort.
  • Es kann von Vorteil sein, wenn ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
  • Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Befestigungsschnittstelle, wobei ein Brennstoffzellensystem erfindungsgemäß ausgebildet ist und mit einer Gegen-Befestigungsschnittstelle an die Befestigungsschnittstelle des Fahrzeuges angeordnet ist.
  • Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, bspw. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Kraftrad.
  • Das Fahrzeug gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1 ein Brennstoffzellensystem,
    • 2 ein Fahrzeug, und
    • 3 ein Verfahren.
  • In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
  • 1 offenbart schematisch ein Brennstoffzellensystem 100 für ein Fahrzeug 200.
    Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10 mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen jeweils eine Anodenseite, eine Kathodenseite sowie eine Membran aufweist. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Kontrolleinheit 20, zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems 100 mit dem Brennstoffzellenstapel 10, wobei die Kontrolleinheit 20 dazu ausgebildet ist, ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 10 frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases zu bringen, bspw. durch ein fluidtechnisches Unterbrechen der Kathodengaszufuhr. Das fluidtechnische Unterbrechen der Kathodengaszufuhr kann durch ein Schließen eines Ventils 111 in der Kathodengaszufuhr erfolgen. Neben der Kathodengaszufuhr weist der Brennstoffzellenstapel 10 eine Anodengaszufuhr mit einem Ventil 112 auf. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Prüfsignalgeneratoreinheit 40 zum Anlegen zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals an zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen, dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegbar sind. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Erfassungseinheit 50 zum Erfassen zumindest einer Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Ermittlungseinheit 60 zum Ermitteln zumindest eines elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle, insbesondere eines Membranwiderstands der Membran der zumindest einen Brennstoffzelle, des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort.
  • 2 offenbart schematisch ein Fahrzeug 200, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Befestigungsschnittstelle 201, wobei ein Brennstoffzellensystem 100, wie es insbesondere zu 1 beschrieben ist, mit einer Gegen-Befestigungsschnittstelle 101 an die Befestigungsschnittstelle 201 des Fahrzeuges 200 angeordnet ist.
  • 3 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels 10 eines Brennstoffzellensystems 10, wie es bspw. zu 1 beschrieben ist, wobei jede Brennstoffzelle einer Mehrzahl an Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 jeweils eine Anodenseite, eine Kathodenseite sowie eine Membran aufweist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Bereitstellen 320 des Brennstoffzellensystems 100 mit dem Brennstoffzellenstapel 10, wobei ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 10 frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases ist. Es kann bei dem Verfahren zusätzlich, d. h. optional, denkbar sein, dass zumindest der Brennstoffzellenstapel 10 des Brennstoffzellensystems 100 in einem definierten Zustand bereitgestellt wird 321. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Anlegen 360 zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals, bspw. ein Anlegen 362 eines Stromsignals mit steigender Stromstärke, an zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen des bereitgestellten Brennstoffzellenstapels 10, dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegt werden. Es kann bei dem Verfahren als Schritt zusätzlich, d. h. optional, denkbar sein, dass als das zumindest eine elektrische Prüfsignal zumindest zeitweise ein stufenförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein rampenförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein sprungförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein diskretes Signal angelegt wird 361. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Erfassen 380 zumindest einer Signalantwort, bspw. ein Erfassen einer Spannung 382, der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Ermitteln 400 des elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 10 des Brennstoffzellensystems 100 basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort. Es kann bei dem Verfahren als Schritt zusätzlich, d. h. optional, denkbar sein, dass das Verfahren zum Ermitteln des elektrischen Widerstands durchgeführt wird, wenn eine Reduktion einer elektrischen Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel erkannt und/oder vorhergesehen wird 301 und/oder wenn erkannt wird 302, dass eine elektrische Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel 10 durch eine Puffereinheit, bspw. eine Batterie, des Brennstoffzellensystems 100 pufferbar ist. Das Erkennen bzw. Vorhersagen kann bspw. durch eine Kontrolleinheit des Brennstoffzellensystems 100 erfolgen. Es kann bei dem Verfahren als Schritt zusätzlich, d. h. optional, denkbar sein, dass das zumindest eine elektrische Prüfsignal an zumindest zwei Brennstoffzellen der Mehrzahl an Brennstoffzellen des bereitgestellten Brennstoffzellenstapels 10 derart angelegt wird 363, dass Anodengasprotone jeweils in den zumindest zwei Brennstoffzellen von einer jeweiligen Anodenseite über die jeweilige Membran der jeweiligen Brennstoffzelle zu der jeweiligen Kathodenseite der jeweiligen Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen bewegt werden. Es kann bei dem Verfahren als Schritt zusätzlich, d. h. optional, denkbar sein, dass für eine jeweilige Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen jeweils ein elektrischer Widerstand basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und einer jeweiligen erfassten Signalantwort ermittelt wird 401 oder dass ein elektrischer Gesamtwiderstand für die zumindest zwei Brennstoffzellen basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der erfassten Signalantwort ermittelt wird 402. Es kann bei dem Verfahren als Schritt zusätzlich, d. h. optional, denkbar sein, dass basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal, der zumindest einen erfassten Signalantwort sowie zusätzlich auf zumindest einem Schichtwiderstand und/oder zumindest einem Kontaktwiderstand und/oder zumindest eines Kinetikwiderstands wenigstens des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der zumindest einen Brennstoffzelle, ein Membranwiderstand der Membran der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 10 ermittelt wird 420.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels (10) eines Brennstoffzellensystems (10), wobei jede Brennstoffzelle einer Mehrzahl an Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (10) jeweils eine Anodenseite, eine Kathodenseite sowie eine Membran aufweist, wobei das Verfahren umfasst: - Bereitstellen (320) des Brennstoffzellensystems (100) mit dem Brennstoffzellenstapel (10), wobei ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases ist, - Anlegen (360) zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals an zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen des bereitgestellten Brennstoffzellenstapels (10), dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegt werden, - Erfassen (380) zumindest einer Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal, - Ermitteln (400) des elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Brennstoffzellenstapel (10) des Brennstoffzellensystems (100) in einem definierten Zustand bereitgestellt wird (321).
  3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathodengaszufuhr (1) des Brennstoffzellensystems (100) zum Zuführen von Kathodengas zu den Kathodenseiten der Mehrzahl an Brennstoffzellen fluidtechnisch unterbrochen wird (338) und insbesondere der Brennstoffzellenstapel (10) zumindest zeitweise elektrisch belastet wird (339), um das Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von dem Oxidationsmittel des Kathodengases zu bringen.
  4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das zumindest eine elektrische Prüfsignal zumindest zeitweise ein stufenförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein rampenförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein sprungförmiges Signal und/oder zumindest zeitweise ein diskretes Signal angelegt wird (361).
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das zumindest eine elektrisches Prüfsignal ein Stromsignal mit steigender Stromstärke angelegt wird (362), wobei als die zumindest eine Signalantwort eine Spannung erfasst wird (382).
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektrische Prüfsignal an zumindest zwei Brennstoffzellen der Mehrzahl an Brennstoffzellen des bereitgestellten Brennstoffzellenstapels (10) derart angelegt wird (363), dass Anodengasprotone jeweils in den zumindest zwei Brennstoffzellen von einer jeweiligen Anodenseite über die jeweilige Membran der jeweiligen Brennstoffzelle zu der jeweiligen Kathodenseite der jeweiligen Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen bewegt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine jeweilige Brennstoffzelle der zumindest zwei Brennstoffzellen jeweils ein elektrischer Widerstand basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und einer jeweiligen erfassten Signalantwort ermittelt wird (401) oder dass ein elektrischer Gesamtwiderstand für die zumindest zwei Brennstoffzellen basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der erfassten Signalantwort ermittelt wird (402).
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal, der zumindest einen erfassten Signalantwort sowie zusätzlich auf zumindest einem Schichtwiderstand und/oder zumindest einem Kontaktwiderstand und/oder zumindest eines Kinetikwiderstands wenigstens des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der zumindest einen Brennstoffzelle, ein Membranwiderstand der Membran der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) ermittelt wird (420).
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Ermitteln des elektrischen Widerstands durchgeführt wird, wenn eine Reduktion einer elektrischen Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel erkannt und/oder vorhergesehen wird (301) und/oder dass das Verfahren zum Ermitteln des elektrischen Widerstands erfolgt, wenn erkannt wird (302), dass eine elektrische Leistungsnachfrage an den Brennstoffzellenstapel (10) durch eine Puffereinheit des Brennstoffzellensystems (100) pufferbar ist.
  10. Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200), wobei das Brennstoffzellensystem (100) aufweist: - einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen jeweils eine Anodenseite, eine Kathodenseite sowie eine Membran aufweist, - eine Kontrolleinheit (20), zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems (100) mit dem Brennstoffzellenstapel (10), wobei die Kontrolleinheit (20) dazu ausgebildet ist, ein Kathodengas auf der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels (10) frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases oder im Wesentlichen frei von einem Oxidationsmittel des Kathodengases zu bringen, - eine Prüfsignalgeneratoreinheit (40) zum Anlegen zumindest eines derartigen elektrischen Prüfsignals an zumindest eine Brennstoffzelle der Mehrzahl an Brennstoffzellen, dass Anodengasprotone wenigstens in der zumindest einen Brennstoffzelle von der Anodenseite über die Membran der zumindest einen Brennstoffzelle zu der Kathodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle bewegbar sind, - eine Erfassungseinheit (50) zum Erfassen zumindest einer Signalantwort der zumindest einen Brennstoffzelle als Reaktion auf das zumindest eine angelegte elektrische Prüfsignal, - eine Ermittlungseinheit (60) zum Ermitteln zumindest eines elektrischen Widerstands der zumindest einen Brennstoffzelle, insbesondere eines Membranwiderstands der Membran der zumindest einen Brennstoffzelle, des Brennstoffzellenstapels (10) des Brennstoffzellensystems (100) basierend auf dem zumindest einen angelegten elektrischen Prüfsignal und der zumindest einen erfassten Signalantwort.
  11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
  12. Fahrzeug (200), insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer Befestigungsschnittstelle (201), wobei ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 mit einer Gegen-Befestigungsschnittstelle (101) an die Befestigungsschnittstelle (201) des Fahrzeuges (200) angeordnet ist.
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