DE10342146A1 - Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit, wobei an den Ausgängen der Brennstoffzelleneinheit wenigstens ein Messwertepaar, bestehend aus einem Strom- und einem Spannungsmesswert (Iist, Uist), ermittelt wird, der Spannungsmessert (Uist) mit einem Grenzwert (PG) verglichen wird, welcher von dem Strommesswert (Iist) über eine Grenzpolarisationskennlinie abhängig ist, und wobei auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen wird, wenn der Spannungsmesswert (Uist) oder eine Funktion des Spannungsmesswertes kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist. Die Erfindung kann beispielsweise zur Überwachung von einer in einem Kraftfahrzeug zur Stromversorgung vorgesehenen Brennstoffzelleneinheit eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 43 38 178 A1 ist eine Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzelleneinheiten bekannt, bei denen die Brennstoffzellen in wenigstens zwei parallel geschalteten Reihen mit jeweils gleicher Zellenanzahl hintereinander geschaltet sind und wobei die Reihen in Zweige einer Brückenschaltung aufgeteilt und mit wenigstens einer Auswerteanordnung verbunden sind, welche die zwischen den Zweigen abgegriffene Spannung oder den Strom auswertet und bei Abweichungen über zulässige Grenzen hinaus eine Fehlermeldung erzeugt.
  • Verfahren zur Überwachung von Brennstoffzellenstacks sind aus den Offenlegungsschriften DE 195 23 260 A1 und WO 91/19328 bekannt, bei denen aus den gemessenen Spannungen der Zellen ein Mittelwert bestimmt wird, mit welchem die Einzelspannungen der Brennstoffzellen verglichen werden. Sobald eine Einzelspannung um mehr als ein vorgegebenes Maß kleiner ist als der Mittelwert, wird eine entsprechende Warnung abgegeben. Bei der DE 195 23 260 A1 wird zusätzlich die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Einzelspannung bestimmt und eine Warnung abgegeben, wenn diese Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Spannungsdifferenzgrenzwert überschreitet.
    •
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit zu Grunde, mit dem frühzeitig ein nicht ordnungsgemäßer Zustand der Brennstoffzelleneinheit erkannt werden kann, so dass bereits präventiv Instandhaltungsmaßnahmen ergriffen werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein an den Ausgängen der Brennstoffzelleneinheit ermittelter Spannungsmesswert, der Teil eines Messwertepaares bestehend aus einem Strom- und einem Spannungsmesswert ist, mit einem Grenzwert verglichen wird, der von dem Spannungsmesswert zugeordneten Strommesswert abhängig ist, wobei der funktionale Zusammenhang zwischen dem Grenzwert und dem Strommesswert durch eine Grenzpolarisationskennlinie der Brennstoffzelleneinheit gegeben ist. Hierbei kann eine Brennstoffzelleneinheit, auch Brennstoffzellenstack genannt, aus einer oder mehreren Brennstoffzellen aufgebaut sein.
  • Unter dem Begriff „Strom" seien im Folgenden auch zum Strom relatierte Größen wie beispielsweise eine Stromdichte verstanden. Unter Messwerten seien im Folgenden sowohl tatsächlich mittels geeigneter Sensoren gemessene Werte verstanden, als auch solche Werte, die durch ein Schätzverfahren – beispielsweise mittels eines Luenberger Beobachters – bestimmt werden.
  • Die so genannte Polarisationskennlinie bzw. -kurve spiegelt den technischen Zustand einer Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzelleneinheit wieder. Die Polarisationskennlinie beschreibt die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzelleneinheit.
  • In der 1 ist beispielhaft eine derartige Polarisationskennlinie bzw. Strom-Spannungs-Charakteristik dargestellt, wobei die gemessene Spannung U der Brennstoffzelleneinheit als Funktion über der Stromdichte S der Brennstoffzelleneinheit aufgetragen ist. Die in der 1 dargestellte Polarisationskennlinie zeigt drei charakteristische Bereiche, welche eine Brennstoffzelleneinheit durchlaufen kann. Die an der Brennstoffzelleneinheit abgreifbare Klemmenspannung wird bei geschlossenem Stromkreis typischerweise durch Überspannungen verringert. Im Bereich geringer Stromdichten ist die sog. Durchtrittsüberspannung relevant, die durch die endliche Geschwindigkeit des Ladungstransfers an der sog. Dreiphasengrenze und Adsorption und Reaktion der Teilchen die Spannung begrenzt. Dies führt im sog. Aktivierungsbereich dazu, dass die Spannung bei geringen Stromdichten schnell abnimmt. Im Bereich mittlerer Stromdichten ist der Widerstand des Elektrolyten und aller anderen elektronen- und ionenleitenden Strecken für einen zu der Stromdichte weitestgehend linearen Spannungsabfall verantwortlich. Dieser Bereich wird üblicherweise als ohmscher Bereich bezeichnet. Im ohmschen Bereich fällt die Spannung über der Stromdichte weniger schnell ab als im Aktivierungsbereich oder im so genannten Sättigungsbereich. Im Sättigungsbereich bei hohen Stromdichten begrenzen Massentransporteffekte – z.B. Konzentrationsgradienten aufgrund zu langsamer Diffusion der reagierenden Gase durch Poren und der Ionen durch den Elektrolyten – die Polarisationskennlinie. Der Arbeitsbereich eine Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzelleneinheit liegt typischerweise im ohmschen Bereich.
  • Die Polarisationskennlinie stellt eine makroskopische Beschreibung der Brennstoffzelleneinheit dar. Mikroskopische Effekte, wie beispielsweise lokale Stromflüsse innerhalb einzelner Zellen, können durch eine zusätzliche detaillierte Modellierung z.B. mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate und/oder neuronalen Netze berücksichtigt werden. In Betracht kommen auch detaillierte physikalische und/oder chemische Modelle, welche die lokalen Effekte wie beispielsweise Stromverteilung, Temperaturverteilung (mit-)modellieren.
  • Die Polarisationskennlinie dient als Kenngrößenfunktion, welche den makroskopischen Zustand der Brennstoffzelleneinheit beschreibt. Reversible und/oder irreversible Effekte wie Verschmutzungen, chemische und/oder physikalische Effekte (z.B. Ablagerungen, Zersetzungen, Auswaschungen, Verschmutzung) haben einen mittelbaren oder unmittelbaren Einfluss auf den Verlauf/die Form der Polarisationskennlinie. Daraus ergibt sich, dass die Polarisationskennlinie für ein und dieselbe Brennstoffzelleneinheit veränderbar ist.
  • In 2 sind beispielhaft eine erste Polarisationskennlinie PN(I) und eine zweite Polarisationskennlinie PG(I) über dem Strom I dargestellt. Die erste Polarisationskennlinie PN(I) beschreibt den Anfangs- bzw. Neuzustand und/oder den idealen Zustand der Brennstoffzelleneinheit. Die erste Polarisationskennlinie PN(I) wird auch als Anfangspolarisationskennlinie bezeichnet. Die zweite Polarisationskennlinie PG(I) beschreibt den Zustand der Brennstoffzelleneinheit, ab dem die Brennstoffzelleneinheit als nicht ordnungsgemäß gilt und eine Instandsetzung nötig wird. Die zweite Polarisationskennlinie PG(I) wird auch als Grenzpolarisationskennlinie bezeichnet. Bezüglich der Spannungswerte liegt die Grenzpolarisationskennlinie für gleiche Stromwerte unterhalb der An fannzpolarisationskennlinie. Die Zustandsverschlechterung ist in der 2 durch einen Pfeil dargestellt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden aktuelle Strom- und Spannungsmesswerte zu der Grenzpolarisationskennlinie ins Verhältnis gesetzt. Aufgrund der aktuellen Werte von Strom und Spannung wird auf den Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen. In Ausgestaltung der Erfindung wird ebenfalls das Verhältnis der Messwerte zu der Anfangspolarisationskennlinie berücksichtigt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass sich der technische Zustand der Brennstoffzelleneinheit kontinuierlich beschreiben und überwachen lässt. Es wird eine Diagnose der Brennstoffzelleneinheit durchgeführt und auch schnelle Verschlechterungen und Fehler in den Betriebseigenschaften der Brennstoffzelleneinheit können früh erkannt werden. Eine Instandhaltung der Brennstoffzelleneinheit kann somit frühzeitig geplant und bereits präventiv durchgeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann einfach in eine Auswerteeinheit, beispielsweise ein Steuergerät, integriert werden und benötigt wenig Speicherplatz.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen.
  • 1 einen beispielhaften Verlauf einer Polarisationskennlinie einer Brennstoffzelleneinheit,
  • 2 beispielhafte Verläufe einer Anfangspolarisationskennlinie und einer Grenzpolarisationskennlinie ei ner Brennstoffzelleeinheit,
  • 3 eine grafische Darstellung, in der ein Messwertepaar bestehend aus einem Spannungsmesswert und einem Strommesswert zu einer Anfangspolarisationskennlinie und einer Grenzpolarisationskennlinie in Beziehung gesetzt ist,
  • 4 eine grafische Darstellung von ermittelten Abstandswerten über der Zeit,
  • 5 eine grafische Darstellung von Abstandswerten und Funktionswerten einer gleitenden Mittelwertbildung der Abstandswerte über der Zeit und
  • 6 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Größen. Bezüglich einer Beschreibung der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
  • In 3 sind ebenso wie in der 2 eine Anfangspolarisationskennlinie PN(I) und eine Grenzpolarisationskennlinie PG(I) dargestellt, wobei die Grenzpolarisationskennlinie PG(I) funktionswertemäßig für gleiche Stromwerte unterhalb der Anfangspolarisationskennlinie PN(I) liegt. Zusätzlich ist ein an den Ausgängen der Brennstoffzelleneinheit ermitteltes Messwertepaar bestehend aus einem Strom- und einem Spannungsmesswert Iist, Uist aufgetragen.
  • Der Verlauf der Polarisationskennlinie und somit der Wert der Ausgangspannung bei einem bestimmten Stromwert ist von einer Vielzahl von System- und Umgebungsgrößen (Einflussgrößen) abhängig. Zu diesen Einflussgrößen gehören unter anderem die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit (so genannte Stacktemperatur) und der über der Brennstoffzelleneinheit abfallende bzw. innerhalb der Brennstoffzelleneinheit vorherrschende Systemdruck. Um den Einfluss dieser Einflussgrößen auf die Strom-/Spannungsmesswerte möglichst gering zu halten bzw. zu kompensieren, erfolgt die Bestimmung (vorzugsweise durch eine Messung und/oder eine Schätzung mittels eines Beobachters) der Strommesswerte und der Spannungsmesswerte bevorzugterweise an definierten Arbeitspunkten, an denen die Einschwingvorgänge abgeklungen sind und die Messwerte einen weitestgehend stationäres Verhalten aufweisen. Einschwingvorgänge zeichnen sich typischerweise durch ein hohes dynamisches Verhalten aus.
  • Liegen die System- und Umgebungsgrößen innerhalb definierter Bereiche und/oder sind die Bedingungen für ein genügendes Abklingen der Einschwingvorgänge (d.h. stationäres Verhalten liegt vor) erfüllt, so kann ein Messwertepaar Iist, Uist ermittelt und zu dem Verlauf der Grenzpolarisationskennlinie in Relation gesetzt werden. Die Anfangspolarisationskennlinie PN(I) und die Grenzpolarisationskennlinie PG(I) sind vorzugsweise vorab ermittelt bzw. definiert worden, beispielsweise durch empirische Erfassung der benötigten Daten bei Versuchen bzw. Tests an einem Prüfstand, bzw. innerhalb einer Testumgebung, und in einer Auswerteeinheit (z.B. einem Steuergerät) hinterlegt. Insbesondere die Anfangspolarisationskennlinie PN(I) kann durch eine Referenzfahrt beim Neuzustand bzw. nach der Wartung/Instandhaltung der Brennstoffzelleneinheit bestimmt werden.
  • Der Spannungsmesswert Uist, welcher dem Strommesswert Iits zugeordnet ist, wird mit dem Wert PG(Iist) der Grenzpolarisationskennlinie PG(I) verglichen, der ebenfalls dem Strommesswert Iist zugeordnet ist. Der Vergleich erfolgt vorzugsweise durch die Ermittlung des Abstandes ΔU2 zwischen den beiden Werten, wobei der Abstand als die Differenz der Werte definiert ist: ΔU2 = Uist – PG(Iist).
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Spannungsmesswert Uist, welcher dem Strommesswert Iist zugeordnet ist, zusätzlich mit dem Wert PN(Iist) der Anfangspolarisationskennlinie PN(I) verglichen, der ebenfalls dem Strommesswert Iist zugeordnet ist. Der Vergleich erfolgt vorzugsweise ebenfalls durch die Ermittlung des Abstandes ΔU1 zwischen den beiden Werten, wobei der Abstand als die Differenz der werte definiert ist: ΔU1 = Uist – PN(Iist).
  • Es kann dann ein normierter Abstandswert anorm gebildet werden, indem der Abstand ΔU2 des Spannungsmesswerts Uist zur Grenzpolarisationskennlinie PG(I) bei dem Stromwert Iist durch den Abstand von Anfangspolarisationskennlinie PN(I) zu Grenzpolarisationskennlinie PG(I) bei dem Stromwert Iist geteilt wird: anorm = ΔU2/(ΔU1 + ΔU2) = (Uist – PG(Iist))/(PN(Iist) – PG(Iist)).
  • Die Normierung hat den Vorteil, dass die Größenordnungen der Rechengrößen klein bleiben und unerwünschte Skalierungseffekte vermieden werden können. Weiterhin wird durch die Normierung die nicht konstante Differenz zwischen den Polarisationskurven (dP(Iist) = PN(Iist) – PG(Iist)) kompensiert.
  • Für die Fälle, bei denen der Spannungsmesswert Uist die entsprechenden Werte der Anfangspolarisationskennlinie PN(I) bzw. der Grenzpolarisationskennlinie PG(I) für den Stromwert Iist über- bzw. unterschreit, wird der normierte Abstand anorm unter Bildung des normierten und ggf. begrenzten Abstandes a vorzugsweise wie folgt begrenzt:
    Figure 00090001
  • Überschreitet der normierte Abstand anorm also den Wert 1, so wird er auf Eins begrenzt. Der normierte Abstand anorm und der normierte und ggf. begrenzte Abstand a sind jeweils Funktionen des Spannungsmesswerts Uist.
  • Ist der wert des Abstandes a gleich dem Wert 1, so liegt der Spannungsmesswert Uist direkt auf oder oberhalb der Anfangspolarisationskennlinie PN(I) und kennzeichnet einen ordnungsgemäßen Zustand Brennstoffzelleneinheit. Liegt der Wert des Abstandes a zwischen den Werten Null und Eins, so liegt auch der Spannungsmesswert Uist zwischen den zuvor definierten Kennlinien PN(I) und PG(I) für den Stromwert Iist. Für den Fall, dass der Wert des Abstandes a kleiner oder gleich dem Schwellenwert Null ist, wird auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen.
  • Selbstverständlich kann auch der Spannungsmesswert Uist direkt zur Beurteilung des Betriebsbestandes der Brennstoffzelleneinheit herangezogen werden, wobei auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit beschlossen wird, wenn der Spannungsmesswert Uist kleiner ist als der Wert PG(Iist) der Grenzpolarisationskennlinie PG(I), der ebenfalls dem Strommesswert Iist zugeordnet ist, bzw. wenn die Differenz ΔU2 kleiner oder gleich dem Schwellenwert Null ist.
  • Die folgenden Ausführungen beziehen sich der Einfachheit halber auf den Abstand a. Sie können jedoch auf den Spannungsmesswert Uist, die Differenz ΔU2 und den normierte Abstand anorm unmittelbar ausgedehnt werden, indem in den folgenden Gleichungen beispielsweise ein Multiplikationsfaktor vorgesehen ist, welcher der Normierungsgröße (PN(Iist) – PG(Iist)) entspricht, bzw. indem eine additive Versetzung (sog. „Offset") berücksichtigt wird.
  • Die 4 zeigt eine grafische Darstellung von Abstandswerten a über der Zeit t, die wie oben beschrieben aus je einem Spannungsmesswert Uist errechnet wurden, wobei die Spannungsmesswerte an verschiedenen, aufeinander folgenden Zeitpunkten, die definierten Arbeitpunkten entsprechen, ermittelt wurden. Die Messwerte werden ermittelt, wenn sich die relevanten System-/Umgebungsgrößen innerhalb definierter Bereiche bewegen und/oder die Messgrößen stationäres Verhalten aufweisen. Hieraus ergibt sich dass die Messzeitpunkte auch nicht äquidistant sein können. Die ermittelten Abstandswerte a entsprechen einer Brennstoffzelleneinheit, die sich in einem guten, ordnungsgemäßen Zustand befindet. Für die Gesamtzeitdauer der Auswertung ergeben sich die folgenden statistischen Größen: Es stellt sich ein Mittelwert von 0,92 ein. Der minimale Abstandwert liegt bei 0,60, der maximale bei 1,00. Weiterhin ergeben sich ein Median von 0,96 und eine Standardabweichung von 0,10.
  • Aus der Verteilung der Abstandswerte und dem niedrigen minimalen Abstandswert wird deutlich, dass kurzzeitige Ausreißer beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Störungen oder reversiblen Effekten vorliegen können. Bei den Verschlechterun gen und Verschleißerscheinungen, auf die hin die Brennstoffzelleneinheit überwacht wird, handelt es sich jedoch um Langzeiteffekte (irreversible Effekte), welche sich über Tage und Wochen ausbilden können. Um einer Verfälschung der Überwachungsergebnisse durch Ausreißer (beispielsweise bei den Spannungsmesswerten) entgegenzuwirken, werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die Abstände a zwischen Spannungsmesswert Uist und dem Grenzwert PG(Iist) der Grenzpolarisationskennlinie PG(I), der ebenfalls dem Strommesswert Iist zugeordnet ist, gebildet, so dass jedem Zeitpunkt ein Abstandswert a zugeordnet ist. Dann wird der Mittelwert z der Abstandswerte a gebildet. Es wird auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen, wenn dieser Mittelwert z kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert, insbesondere Null, ist. Der Mittelwert ist eine Funktion des Abstandes a. Durch die Mittelwertbildung werden Ausreißer und kurzzeitige Abweichungen vorteilhafterweise geglättet.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Mittelwerte z durch eine gleitende Mittelwertbildung über der Zeit t bestimmt:
    Figure 00110001
    wobei die Variable i ein Zähler ist. Bei der gleitenden Mittelwertbildung werden nur die Abstandswerte a berücksichtigt, die in dem Zeitfenster τ1 bzw. in dem Zeitintervall t – τ1 liegen, wobei t den gerade aktuellen Zeitpunkt angibt. Zusätzlich oder alternativ kann eine beispielsweise exponentielle Wichtung der Abstandswerte a erfolgen, wobei weiter zurückliegende Abstandswerte bei der Berechnung geringer gewichtet werden sollten.
  • Die Mittelwertbildung wird vorzugsweise mittels eines rekursiven Verfahrens mit Vergessensfaktor j realisiert, wobei 0 ≤ j ≤ 1, a der aktuelle Abstandswert ist und dem Zustand zalt ein bestimmter Initialwert zugewiesen wird, beispielsweise Null: zneu = j·a + (1 – j)·zalt.
  • Der über die Zeit gleitende Mittelwert z(t) ist eine Funktion des Abstandes a und beschreibt den technischen Zustand der Brennstoffzelleneinheit. Der gleitende Mittelwert z(t) wird daher im Folgenden auch als Zustand z(t) der Brennstoffzelleneinheit bezeichnet. Liegt der gleitende Mittelwert z(t) auf oder unter einem vorbestimmten Schwellwert oder einer vorbestimmten Schwellkurve, so kann auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen werden.
  • Durch die Wahl der Länge des Zeitfensters τ1 kann die Robustheit des gleitenden Mittelwerts z(t) gegenüber Ausreißern und kurzzeitigen Abweichungen beeinflusst werden. Je länger das Zeitfenster τ1 gewählt wird, umso geringer ist der Einfluss von Ausreißern und kurzzeitigen Abweichungen auf den Mittelwert z(t).
  • In der 5 sind nochmals die in der 4 gezeigten Abstandswerte a über der Zeit aufgetragen. Zusätzlich ist der mit Hilfe dieser Abstandswerte a ermittelte gleitende Mittelwert z(t) dargestellt. Der Anfangs- bzw. Neuzustand der Brennstoffzelleneinheit ist bei z = 1 gegeben, während der Schadensfall bei z = 0 vorliegt.
  • Wird die Brennstoffzelleneinheit in einem Kraftfahrzeug zur Stromversorgung eingesetzt, so kann der Zustand der Brennstoffzelleneinheit gemäß obiger Gleichungen und Ausführungen direkt aus den im Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Daten ermittelt werden.
  • Der Ermittlung des Zustandes z(t) der Brennstoffzelleneinheit ist vorzugsweise ein Verfahren zur Ermittlung einer Restbetriebsdauer und/oder der Restbetriebsstrecke der Brennstoffzelleneinheit nachgeschaltet. Dieses Verfahren zur Ermittlung der Restbetriebsdauer und/oder Restbetriebsstrecke – auch Vorhersageverfahren genannt – ermittelt die Restbetriebsdauer und/oder Restbetriebsstrecke aus dem zeitlichen Verlauf des Zustandes z(t). Das Verfahren zur Ermittlung der Restbetriebsdauer und/oder Restbetriebsstrecke kann dabei vorzugsweise auf der sog. prediction error method basieren. Durch die Vorhersage der Restbetriebsdauer bzw. der Restbetriebsstrecke wird die Planbarkeit von Wartung bzw. Instandhaltung der Brennstoffzelleneinheit erhöht.
  • In der 6 ist in Form eines Blockdiagramms das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit und zur Ermittlung der Restbetriebsdauer/-strecke schematisch dargestellt. In einem ersten Funktionsblock 1 werden System- und/oder Umgebungsgrößen uin, zu denen vorzugsweise auch die Spannungs- und Strommesswerte Uist, Iist gehören ausgewertet bzw. einer Vorverarbeitung unterzogen. Bei dieser Vorverarbeitung wird die Gültigkeit der Daten, die Gültigkeit des Arbeitspunktes, das stationäre Verhalten der ermittelten Größen überprüft. weiterhin erfolgt gegebenenfalls eine Normierung auf die Umgebungsdaten. Bei erfolgrei cher Vorverarbeitung (positive Überprüfung) werden die Spannungs- und Strommesswerte Uist, Iist in einem zweiten Funktionsblock 2 unter Berechnung des Abstandes a ausgewertet. Der Abstand a wird einem dritten Funktionsblock 3 zugeführt, welcher den Abstand a auswertet, einer Fehlererkennung durchführt und bei einem Rückschluss auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit (s.o.) eine Warnung ausgibt und/oder die Brennstoffzelleneinheit ggf. herunterfährt. Wird ein nicht ordnungsgemäßer Zustand der Brennstoffzelleneinheit detektiert bzw. diagnostiziert, so wird vorzugsweise ein Alarm ausgelöst, beispielsweise durch ein entsprechendes akustisches oder optisches Signal.
  • In einem vierten Funktionsblock 4 wird eine Mittelwertbildung des Abstandes a unter Ermittelung des Zustandes z(t) durchgeführt. Selbstverständlich kann die im Funktionsblock 3 durchgeführte Fehlererkennung auch auf dem Zustand z(t) basieren. In einem fünften Funktionsblock 5 wird mittels des Zustandes z(t) eine Vorhersage über die Restlaufzeit RLZ und/oder die Restlaufstrecke RLS der Brennstoffzelleneinheit getätigt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Abstand a für mehrere aufeinanderfolgende Zeitpunkte innerhalb eines bestimmten Zeithorizonts, welches größer oder gleich einem vorgegebenen Zeitintervall τ2 ist, ermittelt. Die ermittelten Abstandswerte werden weiter einer Häufigkeitsanalyse unterzogen, bei der ermittelt wird, wie viele Abstandswerte a in dem Zeitintervall τ2 kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert aSchwelle sind. Hierbei ergibt sich die Häufigkeit h vorzugsweise aus dem Verhältnis der Anzahl na≤aSchwelle der Abstandswerte a, die kleiner oder gleich dem Schwellenwert aSchwelle sind, zu der Gesamtanzahl ngesamt der Abstandswerte: h = na≤aSchwelle/ngesamt.
  • Überschreitet die Häufigkeit h eine definierte Schwellenhäufigkeit hmax, so wird auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen. Vorteilhafterweise kann das Zeitintervall τ2 wesentlich kürzer als das Zeitintervall τ1 bei der vorher beschriebenen gleitende Mittelwertbildung gewählt werden. Es lässt sich demnach basierend auf der Häufigkeitsanalyse sehr schnell eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften der Brennstoffzelleneinheit feststellen.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit, wobei an den Ausgängen der Brennstoffzelleneinheit wenigstens ein Messwertepaar bestehend aus einem Strom- und einem Spannungsmesswert (Iist, Uist) ermittelt wird, der Spannungsmesswert (Uist) mit einem Grenzwert (PG) verglichen wird und auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen wird, wenn der Spannungsmesswert (Uist) oder eine Funktion des Spannungsmesswertes kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (PG) von dem Strommesswert (Iist) abhängig ist, wobei der funktionale Zusammenhang zwischen dem Grenzwert (PG) und dem Strommesswert (Iist) durch eine Grenzpolarisationskennlinie der Brennstoffzelleneinheit gegeben ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsmesswert (Uist) zusätzlich mit einem Anfangswert (PN) verglichen wird, dessen Wert von dem Strommesswert (Iist) abhängig ist, wobei der funktionale Zusammenhang zwischen dem Anfangswert (PN) und dem Strommesswert (Iist) durch eine Anfangspolarisationskennlinie der Brenn stoffzelleneinheit gegeben ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (a) zwischen dem Spannungsmesswert (Uist) und dem Grenzwert (PG) als eine Differenz aus dem Spannungsmesswert (Uist) und dem Grenzwert (PG) gebildet wird, und dass auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen wird, wenn der Abstand (a) oder eine Funktion des Abstandes kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zur Bildung des Abstandes (a) normiert wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die Abstände (a) zwischen Spannungsmesswert (Uist) und Grenzwert (PG) ermittelt werden, dass ein Mittelwert (z) der ermittelten Abstände (a) gebildet wird und dass auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen wird, wenn der Mittelwert (z) der Abstände (a) kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung gleitend über ein bestimmtes Zeitintervall erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf des Mittelwerts (z) eine Vorhersage über eine Restbetriebsdauer und/oder eine Restbetriebsstrecke der Brennstoffzelleneinheit getroffen wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) für mehrere aufeinanderfolgende Zeitpunkte innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls ermittelt wird und nur dann auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen wird, wenn die Abstandswerte (a) bzw. eine Funktion der Abstandswerte mit einer Häufigkeit, die eine bestimmte Schwellenhäufigkeit überschreitet, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.
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US (1) US7124040B2 (de)
DE (1) DE10342146A1 (de)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008006734B4 (de) * 2007-01-31 2013-10-31 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren zur berechnung einer polarisationskurve eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem
DE102009007168B4 (de) * 2008-02-06 2015-07-16 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels
DE102009007167B4 (de) * 2008-02-06 2015-07-30 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel
DE102011008799B4 (de) * 2010-01-21 2017-04-06 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) Verfahren zum Feststellen einer schlecht arbeitenden Zelle in einem Brennstoffzellenstapel
DE102017208865A1 (de) 2017-05-24 2018-11-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vorrichtung, Fortbewegungsmittel und Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005097817A2 (en) * 2004-04-05 2005-10-20 Alnylam Pharmaceuticals, Inc. Process and reagents for oligonucleotide synthesis and purification
FR2876503B1 (fr) * 2004-10-07 2007-02-16 Renault Sas Installation de production d'electricite comportant des piles a combustibles reliees en serie et comportant des moyens pour isoler une pile et procede de pilotage d'une telle installation
US8420271B2 (en) * 2009-07-14 2013-04-16 GM Global Technology Operations LLC Method to improve reliability of a fuel cell system using low performance cell detection at low power operation
JP5727324B2 (ja) * 2011-07-29 2015-06-03 日本特殊陶業株式会社 燃料電池の劣化判定方法および燃料電池システム
CN102967775A (zh) * 2011-09-01 2013-03-13 武汉电联电力电气技术有限公司 浮模差值高压电容器状态监测法
US9748784B2 (en) * 2011-09-01 2017-08-29 Echostar Technologies L.L.C. Detecting batteries with non-uniform drain rates
US8920995B2 (en) 2013-03-15 2014-12-30 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods for predicting polarization curves in a fuel cell system
US20170005350A1 (en) 2015-07-02 2017-01-05 Greenlight lnnovation Corporation Systems and methods for acquisition, parameterization, and validation of fuel cell polarization data
US10871519B2 (en) 2017-11-07 2020-12-22 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell stack prediction utilizing IHOS
US10714767B2 (en) 2017-12-07 2020-07-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell air system safe operating region
US10665875B2 (en) 2017-12-08 2020-05-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Path control concept
US10590942B2 (en) 2017-12-08 2020-03-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Interpolation of homotopic operating states
US11482719B2 (en) 2017-12-08 2022-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Equation based state estimate for air system controller
US10971748B2 (en) 2017-12-08 2021-04-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Implementation of feedforward and feedback control in state mediator
US10985391B2 (en) 2018-03-06 2021-04-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Real time iterative solution using recursive calculation
US10547070B2 (en) 2018-03-09 2020-01-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STL actuation-path planning

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3294586A (en) * 1962-03-01 1966-12-27 Pullman Inc Fuel cell with movable casing and electrodes and method for operating fuel cell withan anode containing an alkaline earth metal
US3573179A (en) * 1965-12-14 1971-03-30 Ibm Method and apparatus for the control of electrolytic refining cells
CA2018639A1 (en) * 1990-06-08 1991-12-08 James D. Blair Method and apparatus for comparing fuel cell voltage
US5539318A (en) * 1992-07-16 1996-07-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Residual capacity meter for electric car battery
DE4338178C2 (de) 1993-11-09 2003-04-30 Aeg Energietechnik Gmbh Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen
DE19523260C2 (de) 1995-06-27 1998-01-15 Daimler Benz Ag Verfahren zur Überwachung von mehr als zwei gleichartigen Spannungsquelleneinheiten
US5945229A (en) * 1997-02-28 1999-08-31 General Motors Corporation Pattern recognition monitoring of PEM fuel cell
JPH117984A (ja) * 1997-06-13 1999-01-12 Sony Corp ２次電池の容量検出方法
JP4096430B2 (ja) * 1998-12-10 2008-06-04 松下電器産業株式会社 燃料電池装置
EP1069636B1 (de) * 1999-07-06 2016-03-23 GM Global Technology Operations LLC Brennstoffzellenstapel-Überwachungs- und Steuerungssystem
US6646418B1 (en) * 2002-07-24 2003-11-11 Motorola, Inc. Method and apparatus for fuel cell protection

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008006734B4 (de) * 2007-01-31 2013-10-31 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren zur berechnung einer polarisationskurve eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem
DE102009007168B4 (de) * 2008-02-06 2015-07-16 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels
DE102009007167B4 (de) * 2008-02-06 2015-07-30 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel
DE102011008799B4 (de) * 2010-01-21 2017-04-06 GM Global Technology Operations LLC (n. d. Gesetzen des Staates Delaware) Verfahren zum Feststellen einer schlecht arbeitenden Zelle in einem Brennstoffzellenstapel
DE102017208865A1 (de) 2017-05-24 2018-11-29 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vorrichtung, Fortbewegungsmittel und Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems

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