AT527301A4 - Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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AT527301A4 ATA50773/2023A AT507732023A AT527301A4 AT 527301 A4 AT527301 A4 AT 527301A4 AT 507732023 A AT507732023 A AT 507732023A AT 527301 A4 AT527301 A4 AT 527301A4
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran (116) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), mit den Schritten: - Betreiben des Brennstoffzellenstapels (110) mit einem Arbeitsstrom, wobei der Arbeitsstrom an den Brennstoffzellenstapel (110) angelegt wird und/oder an dem Brennstoffzellenstapel (110) abgegriffen wird, - Überlagern des Arbeitsstroms an dem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Messstrom, - Bestimmen einer Brennstoffzellensystemantwort an dem Brennstoffzellenstapel (110) aufgrund des überlagerten Messstroms, und - Vergleichen der Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran (116) des Brennstoffzellenstapels (110) zu erkennen.

Description

Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brenn-
stoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, ein Computerprogrammprodukt zum Durchführen eines sol-
chen Diagnoseverfahrens sowie eine Diagnosevorrichtung.
Im Stand der Technik sind Brennstoffzellenstapel mit PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Brennstoffzellen) bekannt. Solche Brennstoffzellen weisen eine Brennstoffzellenmembran auf. Die Brennstoffzellenmembran einer solchen Brennstoffzelle trennt die Anode der Brennstoffzelle von der Kathode der Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellenmembran darf nicht zu trocken werden, da sie sonst geschädigt werden könnte. Insbesondere könnten sich Löcher in der Brennstoffzellenmembran bilden. Um die Feuchtigkeit der Brennstoffzellenmembran einstellen zu können, muss man die Feuchtigkeit der Brennstoffzellenmembran zuvor erst messen. Die Feuchtigkeit kann z.B. mit einem Feuchtigkeitssensor gemessen werden. Dies ist jedoch technisch aufwendig, da ein Feuchtigkeitssensor benötigt wird, welcher entsprechend in der Nähe der Brennstoffzellenmembran installiert werden muss. Ebenfalls sind theoretische Simulationen der Feuchtigkeit der Brennstoffzellenmembran möglich. Solche
Simulationen sind jedoch recht ungenau.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Diagnoseverfahren bereitzustellen, mit welchem eine Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere eine Austrocknung zumindest einer Brennstoff-
zellenmembran eines Brennstoffzellenstapels erkannt werden kann.
Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Diagnoseverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des
Anspruchs 14 sowie eine Diagnosevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Demgemäß wird ein Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellen-
systems beschrieben. Das Diagnoseverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einem Arbeitsstrom, wobei der Arbeitsstrom an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird und/oder an dem Brennstoffzellen-
stapel abgegriffen wird, - Überlagern des Arbeitsstroms an dem Brennstoffzellenstapel mit einem Messstrom,
- Bestimmen einer Brennstoffzellensystemantwort an dem Brennstoffzellenstapel auf-
grund des überlagerten Messstroms, und
- Vergleichen der Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran des Brennstoffzellenstapels zu
erkennen.
Dadurch, dass die Brennstoffzellensystemantwort wie beschrieben bestimmt wird und mit einer Referenz verglichen wird, kann das Diagnoseverfahren sehr schnell und sehr genau durchgeführt werden. Weiter ist bei diesem Diagnoseverfahren nur ein geringer Rechenaufwand notwendig. Zusätzlich kann auf einen separaten Feuchtigkeitssensor, welcher in der Nähe einer Brennstoffzellenmembran angeordnet sein müsste, verzich-
tet werden.
Der Messstrom kann insbesondere ein Wechselstrom sein. Die Brennstoffzellensystemantwort ist insbesondere eine Impedanz, d.h. ein Wechselstromwiderstand, des Brennstoffzellenstapels. Es wird insbesondere der sogenannte HFR (High Frequency Resistance) bestimmt. Insbesondere kann die Frequenz des Messstroms verändert
roskopie durchgeführt werden.
Der Realteil der Impedanz des Brennstoffzellenstapels, also der ohmsche Widerstand des Brennstoffzellenstapels, ist proportional zur Feuchte der Brennstoffzellenmembranen. Dementsprechend kann der Realteil der Impedanz Aufschluss über die Feuchte der Brennstoffzellenmembranen geben. Somit lässt sich mit dem Diagnoseverfahren
insbesondere eine Austrocknung der Brennstoffzellenmembranen erkennen.
Alternativ kann die Brennstoffzellensystemantwort auch eine Spannung oder ein Strom
sein.
Der Arbeitsstrom ist insbesondere der Strom, welcher beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels an den elektrischen Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels anliegt
und/oder angelegt wird.
Alternativ kann statt dem Arbeitsstrom und dem Messstrom auch eine Arbeitsspan-
nung und eine Messspannung verwendet werden.
Die Referenz enthält insbesondere vorbestimmte Werte, welche mit der Brennstoffzellensystemantwort verglichen werden. Je nachdem wie der Vergleich von der Brennstoffzellensystemantwort mit der Referenz ausfällt, wird eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran erkannt, oder es wird erkannt, dass keine Schä-
digung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran vorliegt.
Die Brennstoffzellenmembran einer Brennstoffzelle trennt die Anode der Brennstoffzelle von der Kathode der Brennstoffzelle. Insbesondere handelt es sich bei der Brenn-
stoffzellenmembran um eine PEM (Proton Exchange Membrane).
Eine Schädigung der Brennstoffzellenmembran liegt dann vor, wenn die Brennstoffzellenmembran nicht wie gewünscht funktioniert. Dabei können verschiedene Schädigungsarten zu einer Schädigung der Brennstoffzellenmembran führen. Insbesondere können die Schädigungsarten Austrocknung der Brennstoffzellenmembran, Löcher in der Brennstoffzellenmembran, und/oder Vergiftung der Brennstoffzellenmembran vor-
liegen.
4 Das Brennstoffzellensystem kann mehrere Brennstoffzellenstapel aufweisen. In diesem Fall kann das Diagnoseverfahren bei einem Brennstoffzellenstapel durchgeführt werden. Alternativ kann das Diagnoseverfahren auch bei mehreren Brennstoffzellen-
stapeln des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
Die Einprägung des Messstroms kann bei den bestehenden Anschlüssen des Brenn-
stoffzellenstapels für den Arbeitsstrom erfolgen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird der Messstrom nur temporär überlagert. Dabei bedeutet nur temporär überlagert, dass die Überlagerung nicht dauerhaft stattfindet. Es ist z.B. ein bestimmtes Ereignis nötig und/oder eine Bedingung eines Parameters muss erfüllt sein, damit die Überlagerung mit dem Messstrom ausgelöst wird. Ein bestimmtes Ereignis kann z.B. der Ablauf einer Zeitspanne sein. Bei dem Parameter kann es sich um einen Parameter des Brennstoffzellensystems handeln, wie z.B. den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems, die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems und die Drucksituation innerhalb des Brenn-
stoffzellensystems.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens weist das Diagnoseverfahren einen vorangestellten Schritt auf, bei welchem ein Parameter des Brennstoffzellensystems überwacht wird, und nur falls eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, werden der Schritt des Überlagerns mit dem Messstrom und die darauffolgenden Schritte durchgeführt. Dementsprechend wird eine Vordiagnose gemacht, d.h. der vorangestellte Schritt stellt eine Vordiagnose dar. Nur wenn die Bedingung der Vordiagnose erfüllt ist, werden die restlichen Schritte des Diagnoseverfahrens ausgeführt.
Bei den Parametern handelt es sich z.B. um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems und um die Drucksituation innerhalb des Brennstoffzellensystems. Falls ein solcher Parameter einen Wert erreicht (also eine vorbestimmte Bedingung erfüllt), der anzeigt, dass eine genauere Überprüfung des Brennstoffzellensystems angezeigt ist, dann werden der Schritt des Überlagerns mit dem Messstrom und die darauffolgenden Schritte durch-
geführt.
Bedingung kann dann eine gewisse Zeitspanne sein, welche abgelaufen sein muss.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird die Referenz durch Messungen und/oder durch theoretische Berechnungen bestimmt. Die Messungen können zum Beispiel auf einem Prüfstand erfolgen. Beispielsweise können die Messungen zur Bestimmung der Referenz bei einem Brennstoffzellenstapel durchgeführt werden, welcher zumindest eine Brennstoffzellenmembran mit einer bekannten Schädigung aufweist. Das hier ermittelte Ergebnis, kann dann zur Bestimmung der Referenz herangezogen werden. Alternativ oder zusätzlich können auch theoretische Überlegungen angestellt werden und die Referenz aufgrund solcher the-
oretischer Überlegungen berechnet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird die Referenz für verschiedene Frequenzen des Messstroms bestimmt. Die Referenz wird also so bestimmt, dass sie für unterschiedliche Frequenzen des Messstroms unterschiedliche Werte aufweist. Es wird z.B. ein Frequenzbereich an möglichen Messströmen abgefahren. Dabei wird bei mehreren Frequenzen aus dem Frequenzbereich die Brennstoffzellensystemantwort bei einem Brennstoffzellenstapel mit einer Brennstoffzellenmembran mit einer bekannten Schädigung, z.B. auf einem Prüfstand, gemessen. Aus diesem Ergebnis kann eine Referenz ermittelt werden, welche abhängig von der Frequenz ist. Die Referenz wird so für verschiedenen Frequenzen bestimmt, welche der Messstrom aufweisen kann. Alternativ können theoretische Berechnung durchgeführt werden, um die Referenz für verschiedenen mögliche Frequenzen des Mess-
stroms zu berechnen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird die Referenz für verschiedene Schädigungsarten der zumindest einen Brennstoffzellenmembran bestimmt. Die Messungen zur Bestimmung der Referenz werden bei Brennstoffzellenstapeln mit verschiedenen Brennstoffzellenmembranen durchgeführt, welche jeweils eine unterschiedliche Schädigungsart, beispielsweise Austrocknung der Brennstoffzellenmembran, Löcher in der Brennstoffzellenmembran oder Vergiftung der Brennstoffzellenmembran, aufweisen. Das hier ermittelte Ergebnis, kann dann zur Be-
stimmung der Referenz herangezogen werden. Insbesondere kann auch bei jedem
6 Brennstoffzellenstapel mit jeweils verschiedener Brennstoffzellenmembran die Frequenz durchgefahren werden, so dass eine Informations-Matrix erstellt werden kann, welche Informationen über die Schädigungsart und die jeweilige Frequenz vereint. Mittels dieser Informations-Matrix kann eine Referenz ermittelt werden, welche dann eine
Referenz-Matrix von Schädigungsart und Frequenz bildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens enthält die Referenz Informationen bei verschiedenen Frequenzen und bei verschiedenen Schädigungsarten. Dabei kann mittels des Vergleichs der Brennstoffzellensystemantwort mit der Referenz eine konkrete Schädigungsart der zumindest einen Brennstoffzellenmembran erkannt werden. Die Referenz stellt eine Matrix da. Die Matrix enthält Werte bei verschiedenen Frequenzen und bei verschiedenen Schädigungsarten. Führt man die Diagnose mit einer bestimmten Frequenz oder mit mehreren Frequenzen eines Messstroms durch, dann kann man anhand eines Vergleichs der Brennstoffzellensystemantwort oder der Brennstoffzellensystemantworten mit der Referenz, also mit der Referenz in der Form einer Matrix, erkennen, um welche Schädigungsart es sich handelt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird das Diagnoseverfahren mit einer bestimmten Frequenz des Messstroms ausgeführt, wenn eine bestimmte Schädigungsart als wahrscheinlich erscheint. Vorteilhafterweise kann genau die Frequenz für den Messstrom ausgewählt werden, bei welcher eine Brennstoffzellensystemantwort erwartet wird, mit welcher man die Schädigungsart sicher erken-
nen kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens erscheint die bestimmte Schädigungsart dann als wahrscheinlich, wenn eine Vordiagnose auf diese bestimmte Schädigungsart hinweist. Falls als Vordiagnose erkannt wird, dass z.B. der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu gering ist, dann ist wahrscheinlich, dass z.B. die Brennstoffzellenmembran ausgetrocknet ist. In diesem Fall appliziert das Diagnoseverfahren eine bestimmte Frequenz für den Messstrom, bei welcher man eine entsprechende Brennstoffzellensystemantwort erhält, bei welcher man gut erkennen kann,
dass z.B. die Brennstoffzellenmembran ausgetrocknet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird eine Alterung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran bei der Referenz berücksichtigt. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass sich Auffälligkeiten in der Brennstoffzellensystemantwort für eine bestimmte Schädigung bei einer bestimmten Frequenz mit der Alterung der Brennstoffzellenmembran in der Frequenz verschieben. Das heißt die Frequenzen, wo die Auffälligkeiten in der Brennstoffzellensystemantwort sind, verschieben sich wegen der Alterung der Brennstoffzellenmembran mit der Zeit. Dadurch ergeben sich dann auch in der Referenz Verschiebungen von Grenzwerten in der Fre-
quenz.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens erfolgt eine Plausibilitätsprüfung, ob die Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran nach einer verstrichenen Betriebszeit plausibel ist. Vorteilhafterweise kann durch die Plausibilitätsprüfung eine weitere Analyse vorgenommen werden. Dabei ist die verstrichene Betriebszeit die gesamte Zeit, in welcher der Brennstoffzellenstapel schon in Betrieb ist. Alternativ kann nicht nur erkannt werden, ob es plausibel ist, dass eine Schädigung erfolgt ist, es kann ebenfalls eine Plausibilitätsprüfung für eine bestimmte
Schädigungsart vorgenommen werden.
Die Referenz kann die gesamte Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels berücksichtigen. Die Brennstoffzellensystemantwort auf den Messstrom kann sich mit der Alterung des Brennstoffzellenstapels ändern. Dabei kann eine Schädigung plausibel zu
jedem Zeitpunkt stattfinden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist der Messstrom ein Wechselstrom, wobei eine Frequenz des Messstroms im Bereich von 1000 Hz bis 10000 Hz und insbesondere im Bereich von 1000 Hz bis 5000 Hz liegt. Insbe-
sondere kann die Frequenz des Messstroms im Hochfrequenzbereich liegen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens erfolgt eine Ausgabe, welche angibt, dass die Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran vorhanden ist, wenn ein Vergleich der Brennstoffzellensystemantwort mit der Referenz zu diesem Ergebnis führt, oder, es erfolgt eine Ausgabe, welche angibt, dass keine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran vorhanden ist,
wenn ein Vergleich der Brennstoffzellensystemantwort mit der Referenz zu diesem
strom erfolgen.
Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes
Diagnoseverfahren erläutert worden sind.
Weiter wird eine Diagnosevorrichtung zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Die Diagnosevorrichtung umfasst ein Arbeitsstrom-Betriebsmodul zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einem Arbeitsstrom, wobei der Arbeitsstrom an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird und/oder an dem Brennstoffzellenstapel abgegriffen wird, ein Messstrom-Überlagerungsmodul zum Überlagern des Arbeitsstroms an dem Brennstoffzellenstapel mit einem Messstrom, ein Bestimmungsmodul zum Bestimmen einer Brennstoffzellensystemantwort an dem Brennstoffzellenstapel aufgrund des überlagerten Messstroms, und ein Vergleichsmodul zum Vergleichen der Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran des Brennstoffzellensta-
pels zu erkennen.
Dabei sind das Arbeitsstrom-Betriebsmodul, das Messstrom-Überlagerungsmodul, das Bestimmungsmodul und/oder das Vergleichsmodul insbesondere für eine Durch-
führung des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens ausgebildet.
Das Arbeitsstrom-Betriebsmodul, das Messstrom-Überlagerungsmodul, das Bestimmungsmodul und das Vergleichsmodul können als separate Komponenten ausgebildet sein. Alternativ können auch zwei oder mehrere der zuvor genannten Module als eine gemeinsame Komponente ausgebildet sein. Insbesondere können das Arbeitsstrom-Betriebsmodul und das Messstrom-Überlagerungsmodul als eine Komponente ausgebildet sein.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit ge-
nannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der
Erfindung hinzufügen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungs-
beispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Brenn-
stoffzellenstapel und eine Diagnosevorrichtung; und Fig. 2 ein Diagramm mit den Schritten eines Diagnoseverfahrens.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110 und eine Diagnosevorrichtung 10. Der Brennstoffzellenstapel 110 weist mehrere Brennstoffzellen mit jeweils einer Anode 112, einer Kathode 114 und einer Brennstoffzellenmembran 116 auf. Die jeweilige Brennstoffzellenmembran 116 trennt die jeweilige Anode 112 und die jeweilige Kathode 114. An den Enden des Brennstoffzellenstapels 110 befinden sich elektrische Anschlüsse 118. Über die elektrischen Anschlüsse 118 erfolgt die Zuführung des Arbeitsstroms und/oder des Messstroms. Die elektrischen Anschlüsse 118 sind in elektrischem Kontakt mit jeweils einer Bipolarplatte 120. Die Bipolarplatten 120 dienen zum Leiten des elektrischen Stroms. Weiter sind die Abschnitte zum Zuführen von Anodenzuführgas, zum Abführen von Anodenabgas, zum Zuführen von Kathodenzuführgas und zum Abführen von
Kathodenabgas in der Fig. 1 nicht dargestellt.
Die Diagnosevorrichtung 10 weist ein Arbeitsstrom-Betriebsmodul 20, ein MessstromÜberlagerungsmodul 30, ein Bestimmungsmodul 40 und ein Vergleichsmodul 50 auf. Dabei dient die Diagnosevorrichtung 10 zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran 116 des Brennstoffzellenstapels 110. Das Arbeitsstrom-Betriebsmodul 20 ist mit den elektrischen Anschlüssen 118 des Brennstoffzellenstapels 110 elektrisch verbunden. Dabei dient das Arbeitsstrom-Betriebsmodul 20 zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 110 mit einem Arbeitsstrom, wobei der Arbeitsstrom über die elektrischen Anschlüsse 118 an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegt wird und/oder über die elektrischen Anschlüsse 118 an dem Brennstoffzellenstapel 110 abgegriffen wird. Das Messstrom-Überlagerungsmodul 30 ist ebenfalls
mit den elektrischen Anschlüssen 118 des Brennstoffzellenstapels 110 elektrisch verbunden. Mittels dem Messstrom-Überlagerungsmodul 30 kann der Arbeitsstrom an dem Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Messstrom überlagert werden. Weiter ist das Bestimmungsmodul 40 ebenfalls mit den elektrischen Anschlüssen 118 des Brennstoffzellenstapels 110 elektrisch verbunden, um eine Brennstoffzellensystemantwort an den elektrischen Anschlüssen 118 des Brennstoffzellenstapels 110 abzugreifen. Mittels dem Bestimmungsmodul 40 kann die Brennstoffzellensystemantwort an dem Brennstoffzellenstapel 110 aufgrund des überlagerten Messstroms bestimmt werden. Das Vergleichsmodul 50 ist mit dem Bestimmungsmodul 40 verbunden, um von dem Bestimmungsmodul 40 die Brennstoffzellensystemantwort zu erhalten. Das Vergleichsmodul 50 dient zum Vergleichen der Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran 116
des Brennstoffzellenstapels 110 zu erkennen.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm mit den Schritten eines Diagnoseverfahrens. Dabei dient das Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran 116 eines Brennstoffzellenstapels 110 eines Brennstoffzellensystems
100. Das Diagnoseverfahren weist die folgenden Schritte auf:
In einem ersten Schritt S1 wird der Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Arbeitsstrom betrieben. Dazu wird der Arbeitsstrom an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegt
und/oder an dem Brennstoffzellenstapel 110 abgegriffen.
In einem zweiten Schritt S2 wird der Arbeitsstrom an dem Brennstoffzellenstapel 110
mit einem Messstrom überlagert.
In einem dritten Schritt S3 wird eine Brennstoffzellensystemantwort an dem Brenn-
stoffzellenstapel 110 aufgrund des überlagerten Messstroms bestimmt.
In einem vierten Schritt S4 wird die Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz verglichen, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran 116
des Brennstoffzellenstapels 110 zu erkennen.
Die Referenz stellt insbesondere eine Bedingung dar. Eine solche Bedingung kann sein, dass die Brennstoffzellensystemantwort in einem Bereich, welchen die Referenz
vorgibt, liegt. Alternativ kann die Bedingung auch sein, dass die
net werden.
Insbesondere wird der Messstrom nicht ständig überlagert, sondern nur wenn eine bestimmte Bedingung oder ein bestimmtes Ereignis eingetreten ist, oder z.B. eine Zeit-
spanne abgelaufen ist.
Der Messstrom kann ein Wechselstrom sein. Bevorzugt liegt die Frequenz des Messstroms im Hochfrequenzbereich. Die Brennstoffzellensystemantwort ist bevorzugt eine Impedanz, d.h. ein Wechselstromwiderstand, des Brennstoffzellenstapels 110. Der Realteil der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 110, also der ohmsche Widerstand des Brennstoffzellenstapels 110, ist proportional zur Feuchte der Brennstoffzellenmembranen 116. Dadurch ist das Diagnoseverfahren insbesondere dazu geeignet
eine Austrocknung der Brennstoffzellenmembranen 116 zu erkennen.
Die Referenz kann in der Art einer Matrix erstellt werden. Dazu wird die Referenz zum einen für verschiedene mögliche Messströme erstellt. Zum anderen wird die Referenz mit Hilfe von Brennstoffzellenstapeln 110 mit jeweils verschiedenen Brennstoffzellenmembranen 116 auf einem Prüfstand erstellt, wobei die Brennstoffzellenmembranen 116 alle eine bekannte Schädigungsart aufweisen. Insgesamt erhält man eine Referenz für verschiedene Schädigungsarten und bei jeder Schädigungsart für verschiedene Frequenzen. Eine Schädigungsart ist z.B. eine Austrocknung der Brennstoffzellenmembran 116, Löcher in der Brennstoffzellenmembran 116 oder eine Vergiftung der Brennstoffzellenmembran 116. Nachdem eine solche Referenz in der Art einer Matrix erstellt wurde, kann man bei dem Diagnoseverfahren durch einen Vergleich der Brennstoffzellensystemantwort mit der Referenz auch auf eine bestimmte Schädigungsart schließen.
Es ist ebenfalls möglich das Diagnoseverfahren mit einer bestimmten Frequenz des Messstroms auszuführen, wenn eine bestimmte Schädigungsart als wahrscheinlich
12 erscheint. Mittels des Diagnoseverfahrens kann dann überprüft werden, ob es sich tatsächlich um diese Schädigungsart handelt, weil bei dieser Schädigungsart und dieser Frequenz des Messstroms eine spezifische Brennstoffzellensystemantwort erwartet wird. Insbesondere erscheint eine bestimmte Schädigungsart dann als wahrschein-
lich, wenn eine Vordiagnose auf diese bestimmte Schädigungsart hinweist.
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Bezugszeichenliste
10 20 30 40 50 100 110 112 114 116 118 120
S1 s2 s3 s4
Diagnosevorrichtung Arbeitsstrom-Betriebsmodul Messstrom-Überlagerungsmodul Bestimmungsmodul Vergleichsmodul Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenstapel Anode
Kathode Brennstoffzellenmembran elektrischer Anschluss
Bipolarplatte
erster Schritt zweiter Schritt dritter Schritt
vierter Schritt

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran (116) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch die Schritte:
    - Betreiben des Brennstoffzellenstapels (110) mit einem Arbeitsstrom, wobei der Arbeitsstrom an den Brennstoffzellenstapel (110) angelegt wird und/oder an dem
    Brennstoffzellenstapel (110) abgegriffen wird,
    - Überlagern des Arbeitsstroms an dem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem
    Messstrom,
    - Bestimmen einer Brennstoffzellensystemantwort an dem Brennstoffzellensta-
    pel (110) aufgrund des überlagerten Messstroms, und
    - Vergleichen der Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran (116) des Brennstoffzellenstapels (110) zu erkennen.
    2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
    Messstrom nur temporär überlagert wird.
    3. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren einen vorangestellten Schritt aufweist, bei welchem ein Parameter des Brennstoffzellensystems (100) überwacht wird, und nur falls eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, der Schritt des Überlagerns mit dem Mess-
    strom und die darauffolgenden Schritte durchgeführt werden.
    4. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz durch Messungen bestimmt wird und/oder
    durch theoretische Berechnungen bestimmt wird.
    5. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz für verschiedene Frequenzen des Messstroms
    bestimmt wird.
    mindest einen Brennstoffzellenmembran bestimmt wird.
    7. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz Informationen bei verschiedenen Frequenzen und bei verschiedenen Schädigungsarten enthält, und mittels des Vergleichs der Brennstoffzellensystemantwort mit der Referenz eine konkrete Schädigungsart
    der zumindest einen Brennstoffzellenmembran (116) erkannt werden kann.
    8. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren mit einer bestimmten Frequenz des Messstroms ausgeführt wird, wenn eine bestimmte Schädigungsart als wahr-
    scheinlich erscheint.
    9. Diagnoseverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Schädigungsart dann als wahrscheinlich erscheint, wenn eine Vordiag-
    nose auf diese bestimmte Schädigungsart hinweist.
    10. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alterung der zumindest einen Brennstoffzellenmemb-
    ran (116) bei der Referenz berücksichtigt wird.
    11. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plausibilitätsprüfung erfolgt, ob die Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellenmembran (116) nach einer verstrichenen Be-
    triebszeit plausibel ist.
    12. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrom ein Wechselstrom ist, wobei eine Frequenz des Messstroms im Bereich von 1000 Hz bis 10000 Hz und insbesondere im Bereich von 1000 Hz bis 5000 Hz liegt.
    13. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabe erfolgt, welche angibt, dass die Schädigung
    der zumindest einen Brennstoffzellenmembran (116) vorhanden ist, wenn ein
    nis führt.
    14. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Diagnoseverfahrens
    mit Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
    15. Diagnosevorrichtung (10) zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran (116) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines
    Brennstoffzellensystems (100), gekennzeichnet durch
    ein Arbeitsstrom-Betriebsmodul (20) zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels (110) mit einem Arbeitsstrom, wobei der Arbeitsstrom an den Brennstoffzellenstapel (110) angelegt wird und/oder an dem Brennstoffzellenstapel (110) abge-
    griffen wird,
    ein Messstrom-Überlagerungsmodul (30) zum Überlagern des Arbeitsstroms an
    dem Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Messstrom,
    ein Bestimmungsmodul (40) zum Bestimmen einer Brennstoffzellensystemantwort an dem Brennstoffzellenstapel (110) aufgrund des überlagerten Mess-
    stroms, und
    ein Vergleichsmodul (50) zum Vergleichen der Brennstoffzellensystemantwort mit einer Referenz, um eine Schädigung der zumindest einen Brennstoffzellen-
    membran (116) des Brennstoffzellenstapels (110) zu erkennen.
ATA50773/2023A 2023-09-21 2023-09-21 Diagnoseverfahren zum Erkennen einer Schädigung zumindest einer Brennstoffzellenmembran eines Brennstoffzellenstapels AT527301B1 (de)

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