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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren, eine Recheneinheit und ein Computerprogrammprodukt zur Diagnose eines Zustands eines Brennstoffzellensystems gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Stand der Technik

Zur Diagnose eines Zustands eines Brennstoffzellensystems werden in der Regel spannungsgeführte Diagnoseverfahren, wie bspw. die Cyclovoltametrie eingesetzt. Dabei wird jede einzelne Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels mehrmals mit einem Spannungs-Dreiecksverlauf beaufschlagt, um einen Kennwert, insbesondere eine aktive Platinoberfläche, d.h. eine elektrochemisch aktive Fläche der jeweiligen Brennstoffzelle zu bestimmen.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Diagnoseverfahren, ein Diagnosesystem und ein Computerprogrammprodukt vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnosesystem bzw. dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine Möglichkeit zum Ermitteln eines Zustands eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands eines Brennstoffzellensystems vorgestellt. Das Diagnoseverfahren umfasst das Beaufschlagen eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems mit einem konstanten elektrischen Strom aus einer Stromquelle, das Messen einer an jeweiligen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels anliegenden Spannung und das Ermitteln eines Kennwerts, der einen Zustand des Brennstoffzellensystems quantifiziert, anhand der gemessenen Spannung und das Ausgeben des Kennwerts auf einer Ausgabeeinheit, wobei das Messen der Spannung an jeweiligen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels gleichzeitig erfolgt.

Unter einem Kennwert ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Wert auf einer Skala bzw. ein numerischer Wert zu verstehen.

Das vorgestellte Diagnoseverfahren basiert auf einem stromgeführten Verfahren. Dies bedeutet, dass als unabhängige Variable ein vorgegebener elektrischer Strom auf einen Brennstoffzellenstapel bzw. jeweilige Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels appliziert wird, um eine in Reaktion auf die Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom erfolgte Veränderung in der an den jeweiligen Brennstoffzellen anliegenden Spannung als abhängige Variable zu ermitteln und auszuwerten, d.h. zum Ermitteln eines Kennwertes zu verwenden. Entsprechend wird anhand eines Verlaufs der Spannung beim Beaufschlagen mit elektrischem Strom und bei einer nachfolgenden Selbstentladung ein Kennwert ermittelt, der den Zustand der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems quantifiziert.

Der ermittelte Kennwert wird auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige und/oder einem Speicher ausgegeben, d.h. bereitgestellt bzw. gespeichert. Zum Messen der Spannung an jeweiligen Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems kann ein sogenanntes „Cell Voltage Monitoring System“ des Brennstoffzellensystems oder ein externes Spannungsmessgerät verwendet werden.

Anhand einer jeweilig ermittelten Spannung kann mittels Gleichung (1) auf einen jeweiligen Kennwert geschlossen werden, indem die Gleichung (1) zwischen z.B. 400mV (=Uib) und 500mV (=U _U b) an die Messdaten gefittet wird. Nur in diesem Bereich finden keine elektrochemischen Reaktionen am Katalysator statt.

Dabei steht U(t) für eine gemessene Spannung zu einem Zeitpunkt t, IQ für einen beaufschlagten Strom, Rsc für einen Kurzschlusswiderstand, tib für die Zeit, bei der beim Ladevorgang Uib erreicht wird, Cdi für eine Doppelschichtkapazität und IH2 für einen spannungsunabhängigen Entladestrom.

Bei der Selbstentladung fließt kein Strom über den Kurzschlusswiderstand, so dass die Doppelschichtkapazität im Bereich von U _U b bis Uib nur von IH2 entladen wird:

Mittels dieser Entladegeschwindigkeit (2) der Doppelschichtkapazität zwischen Uub und Uib kann man aus Gleichung (1) die Doppelschichtkapazität eliminieren:

Damit muss die Gleichung nur noch während des Aufladens mittels der Größen IH2 und Rsc an die Messpunkte zwischen den Spannungen Uib und U _U b gefittet werden.

Bei der Beaufschlagung mit dem elektrischen Strom kann vorgesehen sein, dass ein Strom verwendet wird, der einem Faktor zwischen 2 und 4 eines Wasserstoffcrossoverstroms eines jeweiligen Brennstoffzellensystems entspricht bzw. zu einer elektrischen Aufladung des Brennstoffzellenstapels in einem

Zeitraum zwischen 20 und 50 Sekunden führt. Es kann vorgesehen sein, dass eine Kathode des Brennstoffzellensystems als Arbeitselektrode verwendet und in einer Stickstoffatmosphäre betrieben wird, und eine Anode des Brennstoffzellensystems als Gegenelektrode verwendet und in einer Wasserstoffatmosphäre betrieben wird.

Es kann alternativ vorgesehen sein, dass eine Anode des Brennstoffzellensystems als Arbeitselektrode verwendet und in einer Stickstoffatmosphäre betrieben wird, und eine Kathode des Brennstoffzellensystems als Gegenelektrode verwendet und in einer Wasserstoffatmosphäre betrieben wird.

Da Stickstoff für eine Brennstoffzelle als Inertgas wirkt, kann eine jeweilige unter Stickstoffatmosphäre betriebene Elektrode als Arbeitselektrode verwendet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass als Kennwert mindestens eine Kennzahl der folgenden Liste an Kennzahlen ermittelt wird: elektrochemisch aktive Fläche, Wasserstoffmembranleckage, Doppelschichtkapazität, Katalysatorkapazität, roughness- Faktor und Kurzschlusswiderstand der Membran.

Der Kennwert kann als numerisch ermittelter Wert ausgegeben werden oder mittels eines Zuordnungsschemas einem Skalenwert, wie bspw. einem Farbschema und/oder einem Wert auf einer Ordinalskala, zugeordnet und anschließend ausgegeben werden. Selbstverständlich kann der Kennwert mehrere Unterkennwerte umfassen, die jeweils Kennzahlen umfassen bzw. auf jeweiligen Kennzahlen basieren.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem nach dem Beaufschlagen mit dem elektrischen Strom durch Selbstentladung entladen wird.

Um elektrochemische Eigenschaften jeweiliger Brennstoffzellen erfassen zu können, hat sich eine Selbstentladung als besonders geeignet erwiesen, da bei dieser Art der Entladung eine langsame, d.h. über einige Sekunden hinweg verlaufende Reduktion der Spannung erfolgt, die lediglich auf physikalische Eigenschaften der Brennstoffzellen zurückzuführen ist, wie es in Gleichung (2) angegeben ist.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Messung der Spannung kann insbesondere während eines Entladungsvorgangs des Brennstoffzellenstapels, d.h. auf einem absteigenden Ast der Spannungskurve erfolgen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels mit elektrischem Strom in einem einzigen Ladezyklus erfolgt.

Im Gegensatz zu spannungsgeführten Verfahren kann das vorgestellte Diagnoseverfahren mit einem einzigen Ladezyklus durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass die Brennstoffzellen einmal bis zu einem vorgegebenen max. Spannungswert mit einem vorgegebenen Stromwert aufgeladen und anschließend selbst entladen werden. Zum Zeitpunkt der Stromabschaltung sollte jede Brennstoffzelle mindestens 500m V (U _U b) erreicht haben, damit die Auswertung durchgeführt werden kann.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass beim Ermitteln des Kennwerts ein Kurzschlusswiderstand einer jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels aus einem aufsteigenden Bereich eines Spannungsverlaufs beim Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels mit elektrischem Strom ermittelt wird, wie es bspw. in Gleichung (3) angegeben ist.

Durch eine sogenannte „Fitting-Funktion“ kann der Kurzschlusswiderstand einer jeweiligen Brennstoffzelle schnell und einfach ermittelt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass beim Ermitteln des Kennwerts ein spannungsunabhängiger Entladestrom (IH2) einer jeweiligen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels aus einem aufsteigenden Bereich eines Spannungsverlaufs beim Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels mit elektrischem Strom ermittelt wird, der den molekularen Fk-Übertritt durch die Brennstoffzel len mem bran entsprechend der CV-/LSV-Methoden beschreibt.

Durch eine „Fitting-Funktion“ kann auch der spannungsunabhängige

Entladestrom einer jeweiligen Brennstoffzelle schnell und einfach ermittelt werden. Im Bereich der Selbstentladung kann die Entladerate zwischen U _U b und Uib aus den Messdaten bestimmt werden und damit mittels Gleichung (2) auch die Doppelschichtkapazität Cdi-

Dank der einfachen Zusammenhänge in Gleichung (2), kann die

Doppelschichtkapazität Cdi in Gleichung (1) durch bekannte Größen ersetzt werden, was zu Gleichung (3) führt. Der Fit-Algorithmus muss daher nur die zwei Unbekannten IH2 und R _sc gleichzeitig bestimmen.

Zur Berechnung des Roughness-Faktors der Desorption wird nun mit den oben bestimmten Größen der Bereich der Aufladung unterhalb von Uib betrachtet.

Die Wasserstoffdesorption kann als einer der Doppelschicht parallel geschalteter Kondensator angesehen werden, dessen Ladungsmenge NICHT linear mit der Spannung steigt oder konstant bleibt.

Es gelten folgende Zusammenhänge:

► Beide Kapazitäten C _dJ und C _Pt werden durch den Netto-Ladestrom bis 400mV (U, _b ) aufgeladen:

►

► Aus der Kondensatorformel ergibt sich

► Oben eingesetzt führt das zu

Die Zeit to beschreibt den Zeitpunkt, ab dem ein Spannungsniveau Uo überschritten wird und die Auswertung beginnt (ca. OCV oder leicht darüber). ► Berechnung des Roughness- Factors für die H ₂ -Desorption

► ness- Factors für die H ₂ -Desorption

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Diagnosesystem. Das vorgestellte Diagnosesystem umfasst eine Recheneinheit, die zur Ausführung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens konfiguriert ist.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen. Insbesondere kann die Recheneinheit ein Steuergerät eines jeweiligen Brennstoffzellensystems sein.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer ausgeführt wird, den Computer dazu konfigurieren, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens durchzuführen.

Das vorgestellte Computerprogrammprodukt kann bspw. eine Datei zum Herunterladen auf einem Server oder einem Datenträger, wie bspw. eine CD- ROM bzw. ein USB-Stick sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens,

Figur 2 eine Detaildarstellung des Diagnoseverfahrens gemäß Figur 1,

Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnosesystems.

In Figur 1 ist ein Diagnoseverfahren 100 zur Diagnose eines Zustands eines Brennstoffzellensystems dargestellt.

Das Diagnoseverfahren 100 umfasst einen Beaufschlagungsschritt 101, bei dem ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen konstanten Strom aus einer Stromquelle beaufschlagt wird, einen Messschritt 103, bei dem eine an jeweiligen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels anliegende Spannung gemessen wird, einen Ermittlungsschritt 105, bei dem ein Kennwert, der einen Zustand des Brennstoffzellensystems quantifiziert, anhand der gemessenen Spannung ermittelt wird und einen Ausgabeschritt 107, bei dem der Kennwert auf einer Ausgabeeinheit ausgegeben wird, wobei bei dem Messschritt 103 das Messen der Spannung an jeweiligen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels, bspw. an jeweiligen mit einem CVM-System gekoppelten Brennstoffzellen oder sämtlichen Brennstoffzellen gleichzeitig erfolgt.

In Figur 2 ist ein Diagramm 200 dargestellt, das sich auf seiner Abszisse über die Zeit und auf seiner Ordinate über eine an einer Brennstoffzelle gemessenen Spannung aufspannt.

Da experimentell ermittelt wurde, dass der Kurzschlusswiderstand Rsc im absteigenden Ast des Spannungsverlaufs 201 bzw. beim Entladen des Brennstoffzellenstapels um einen Faktor von mehr als 2000 größer ist, als beim Laden des Brennstoffzellenstapels, kann anhand eines spannungsunabhängigen Entladestroms IH2 und der gemessenen Spannung im Bereich des absteigenden Astes, insbesondere zwischen 500mV und 400m V, eine Doppelschichtkapazität Cdi berechnet werden. Mittels einer „Fitting-Funktion“ kann anhand eines gemessenen Spannungsverlaufs 201 eine bestmögliche Parameterkombination aus einem spannungsunabhängigen Entladestrom IH2 und einem Kurzschlusswiderstand R _sc gefunden werden. Anhand der Fitting-Funktion kann mittels IH2 hier im erweiterten Spannungsbereich (U _U b bis Uib) zwischen 600 mV und 300 mV eine Doppelschichtkapazität Cdi bestimmt werden, wie durch Pfeil 203 angedeutet, während der gemessene Spannungsverlauf 201 im Bereich zwischen 300 mV und 0 mV sowohl durch die Doppelschichtkapazität Cdi als auch durch die Katalysatorschichtkapazität CH2PI beeinflusst ist, wie durch Pfeil 205 angedeutet.

Da die Katalysatorschicht bzw. deren Katalysatorschichtkapazität CH2PI nur von IH2 entladen wird, lässt sich daraus direkt die Ladung der Katalysatorschicht Qp _t bestimmen, anhand der wiederum auf den Roughness Faktor für die Wasserstoffdesorption rfdes geschlossen werden kann, mittels dessen wiederum auf die elektrochemisch aktive Fläche für die Wasserstoffdesorption geschlossen werden kann.

In Figur 3 ist ein Diagnosesystem 300 dargestellt. Das Diagnosesystem 300 umfasst eine Recheneinheit 301 in Form eines Steuergeräts, das zur Durchführung des Diagnoseverfahrens 100 gemäß Figur 1 konfiguriert und eine optionale Konstantstromquelle 303 ist.

Die Recheneinheit 301 umfasst eine Schnittstelle 305 zur kommunikativen und/oder elektrischen Kopplung mit einem Cell Voltage Monitoring System.