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DE102021134201B3 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents

Method for operating a fuel cell system and fuel cell system Download PDF

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DE102021134201B3
DE102021134201B3 DE102021134201.5A DE102021134201A DE102021134201B3 DE 102021134201 B3 DE102021134201 B3 DE 102021134201B3 DE 102021134201 A DE102021134201 A DE 102021134201A DE 102021134201 B3 DE102021134201 B3 DE 102021134201B3
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fuel cell
cell stack
degradation
degree
regard
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German (de)
Inventor
Markus RUF
Kai Müller
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Original Assignee
Audi AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten (3) ausgestatteten Brennstoffzellenstapel (2), die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel (2) und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate (3) individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden, umfassend die Schritte:
- Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der Brennstoffzellenstapel (2) mit den Nebenaggregaten (3), deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und
- gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel (2), wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (1).

Figure DE102021134201B3_0000
The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (2) equipped with auxiliary units (3) which can be activated and/or deactivated selectively, with each fuel cell stack (2) and each of the associated auxiliary units ( 3) the aging influences are determined individually using measured values or expected values, comprising the steps:
- Assignment of future operating times to one of the fuel cell stacks (2) with the ancillary units (3) whose degree of degradation, determined on the basis of the aging effects, is the lowest, and
- Uniform distribution of future operating times on the fuel cell stack (2) if the differences in the degree of degradation is below a predetermined or specifiable threshold value.
The invention also relates to a fuel cell system (1).
Figure DE102021134201B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten ausgestatteten Brennstoffzellenstapel, die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden, umfassend die Schritte:

  • - Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der Brennstoffzellenstapel mit den Nebenaggregaten, deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und
  • - gleichmäßige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt.
The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks equipped with ancillaries that can be selectively activated and/or deactivated, with the aging effects being determined individually for each fuel cell stack and for each of the associated ancillary units by means of measured values or expected values, comprising the steps :
  • - Assignment of future operating times to one of the fuel cell stacks with the ancillary units whose degree of degradation, determined on the basis of the effects of aging, is the lowest, and
  • - Equal distribution of future operating times on the fuel cell stack if the differences in the degree of degradation is below a predetermined or specifiable threshold value.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem.The invention also relates to a fuel cell system.

Eine Brennstoffzelle wird benutzt, um kontrolliert einen geeigneten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, mit Sauerstoff, in der Regel bereitgestellt aus der Luft, reagieren zu lassen und in einer elektrochemischen Reaktion Elektrizität zu erzeugen. Für eine Leistungssteigerung ist es bekannt, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen, wobei Nebenaggregate genutzt werden, um diesen Brennstoffzellenstapel ausreichend mit Sauerstoff enthaltender Luft in dem erforderlichen konditionierten Zustand hinsichtlich der Temperatur und der Feuchte zu versorgen. Nebenaggregate werden auch für die Rezirklierung nichtverbrauchten Brennstoffes genutzt, um eine hohe Effizienz zu erzielten. Derartige Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem Brennstoffzellenstapel und zugeordneter Nebenaggregate werden auch in Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt für die Bereitstellung elektrischer Mobilität.A fuel cell is used to allow a suitable fuel, in particular hydrogen, to react in a controlled manner with oxygen, usually provided from the air, and to generate electricity in an electrochemical reaction. To increase performance, it is known to combine several fuel cells in a fuel cell stack, with ancillary units being used to supply this fuel cell stack with sufficient oxygen-containing air in the required conditioned state with regard to temperature and humidity. Auxiliary units are also used to recirculate unused fuel to achieve high efficiency. Such fuel cell devices with a fuel cell stack and associated ancillary units are also used in fuel cell vehicles to provide electric mobility.

Bei nochmals gesteigerten Leistungsanforderung, beispielsweise in einem Lastkraftwagen, können mehrere Brennstoffzellenstapel genutzt werden, die auch aus gemeinsamen Nebenaggregaten versorgt werden können, die dafür dann allerdings sehr groß dimensioniert werden müssen und dann teilweise nur in Teillast laufen, wenn beispielsweise für die Erfüllung der momentanen Leistungsanforderung nur ein Brennstoffzellenstapel aktiviert ist und die anderen in Bereitschaft gehalten werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, eine Mehrzahl von Brennstoffzellenvorrichtungen bereit zu stellen, also Brennstoffzellenstapel mit zugeordneten Nebenaggregaten, die dann kleiner dimensioniert sein können und Standardsysteme in großer Stückzahl kostengünstiger gefertigt werden können.If the power requirement is increased even further, for example in a truck, several fuel cell stacks can be used, which can also be supplied from common ancillary units, which then have to be very large and then sometimes only run at partial load, for example if the current power requirement is to be met only one fuel cell stack is activated and the others are kept on standby. Alternatively, there is also the possibility of providing a plurality of fuel cell devices, ie fuel cell stacks with associated ancillary units, which can then be dimensioned smaller and standard systems can be manufactured more cost-effectively in large numbers.

In der US 2009/0305087 A1 sind ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das eine Mehrzahl an parallel geschalteter Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei jedes Modul entsprechend der Lastanforderung zu- oder abgeschaltet, mithin aktiviert oder deaktiviert werden kann, wobei die akkumulierte Betriebszeit jedes Moduls berücksichtigt wird, um einen gleichmäßigen Verschleiß zu erzielen.In the U.S. 2009/0305087 A1 describes a method and a fuel cell system that has a plurality of fuel cell stacks connected in parallel, with each module being able to be switched on or off, and thus activated or deactivated, according to the load requirement, with the accumulated operating time of each module being taken into account in order to achieve even wear .

In der DE 10 2020 200 249 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel beschrieben, der mindestens eine Komponente umfasst, die im Betrieb degradiert, altert oder verschleißt. Eine Betriebsstrategie wird angepasst, um in Abhängigkeit einer aktuell anhand der akkumulierten Belastungen erwarteten Lebensdauer der Komponente deren angeforderte Lebensdauer zu erreichen, also bei einem Verdichter beispielsweise ein Betrieb mit einer relativ geringen Drehzahl fortgesetzt wird, um einen Start-Stopp-Vorgang zu verhindern.In the DE 10 2020 200 249 A1 describes a fuel cell device with a fuel cell stack that includes at least one component that degrades, ages, or wears out during operation. An operating strategy is adapted in order to achieve the required service life of the component as a function of a currently expected service life based on the accumulated loads, i.e. in the case of a compressor, for example, operation is continued at a relatively low speed in order to prevent a start-stop process.

In der JP 2015-176737 A wird eine Brennstoffbateriezelleneinheit CS beschrieben, die Energie erzeugt und diese Energie über eine Leistungsausgangsschaltungseinheit an einen Leistungslastabschnitt liefert. Die Brennstoffbatteriezelleneinheit CS ist so konfiguriert, dass sie in der Lage ist, die Zufuhr und das Anhalten von Oxidationsgas zu einer Brennstoffelektrode und die Zufuhr und das Anhalten von Oxidationsgas zu einer Luftelektrode für jeden der mehreren Zellblöcken CB durchzuführen und den elektrischen Verbindungszustand zu einer Leistungsausgangsschaltungseinheit für jeden der mehreren Zellenblöcke CB zu schalten.In the JP 2015-176737 A describes a fuel battery cell unit CS that generates power and supplies this power to a power load section via a power output circuit unit. The fuel battery cell unit CS is configured to be able to perform the supply and stop of oxidizing gas to a fuel electrode and the supply and stop of oxidizing gas to an air electrode for each of the plurality of cell blocks CB and the electrical connection state to a power output circuit unit for to switch each of the multiple cell blocks CB.

In der DE 10 2018 218 086 A1 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Stapelanordnung beschrieben. Diese Stapelanordnung umfasst mehrere Brennstoffzellenstapel, welche selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei Leistungsdaten jedes einzelnen in der Stapelanordnung vorhandenen Brennstoffzellstapels erfasst werden können.In the DE 10 2018 218 086 A1 a method for operating a fuel cell system with a stack arrangement is described. This stack arrangement comprises a plurality of fuel cell stacks which can be activated and/or deactivated selectively, it being possible for performance data of each individual fuel cell stack present in the stack arrangement to be recorded.

Problematisch bei der Nutzung einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel mit zugeordneten Nebenaggregaten, die als Brennstoffzellenvorrichtungen bedarfsabhängig aktiviert und deaktiviert werden, ist, dass die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems unterschiedlich lange betrieben werden und auch die Rahmenbedingungen während des Betriebes unterschiedlich sein können, also beispielsweise bei einem Brennstoffzellenstapel eine hohe Anzahl von Froststarts aufgelaufen ist, während ein anderer Luft/Luft-Starts ausgesetzt war.The problem with the use of a plurality of fuel cell stacks with associated ancillary units, which are activated and deactivated as fuel cell devices as required, is that the individual components of the fuel cell system are operated for different periods of time and the general conditions during operation can also be different, for example in the case of a fuel cell stack high number of frost starts accumulated is while another air-to-air launch was suspended.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide a method and a fuel cell system which take into account the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with a method for operating a fuel cell system having the features of claim 1 and with a fuel cell system having the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine verbesserte Effizienz erreicht wird bei einer reduzierten Gesamtdegradation des Brennstoffzellensystems, das dadurch auch eine verlängerte Lebensdauer erzielt. Es liegt ein homogeneres Gesamtsystem vor, bei dem ein verbessertes Wissen über den Zustand der Brennstoffzellenaggregate mit den Nebenaggregaten vorliegt. Günstig ist auch, dass ein Schwellenwert hinsichtlich der Unterschiede berücksichtigt wird, also vermieden ist, dass aufgrund geringfügiger Unterschiede Brennstoffzellenstapel im Betrieb ausgetauscht werden, also eine Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels und eine Deaktivierung eines anderen erfolgt und so die Anzahl von Start und Stopps reduziert wird.The method according to the invention is characterized in that improved efficiency is achieved with reduced overall degradation of the fuel cell system, which also achieves a longer service life as a result. There is a more homogeneous overall system in which there is improved knowledge about the condition of the fuel cell units with the ancillary units. It is also favorable that a threshold value with regard to the differences is taken into account, i.e. it is avoided that fuel cell stacks are exchanged during operation due to minor differences, i.e. activation of one fuel cell stack and deactivation of another takes place, thus reducing the number of starts and stops.

Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird. Dadurch ist eine Abfolge gegeben, die zu einer verbesserten Zuteilung von zukünftigen Betriebszeiten führt. Dies gilt auch, wenn beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.It is particularly advantageous if, when an increased load requirement is detected, those inactive fuel cell stacks are activated one after the other in a sequence with increasing degree of degradation until the active fuel cell stack provides a power that meets the increased load requirement. This results in a sequence that leads to an improved allocation of future operating times. This also applies if, when a reduced load requirement is detected, those active fuel cell stacks are deactivated one after the other in a sequence with decreasing degree of degradation, until the still active fuel cell stacks provide a power that meets the reduced load requirement.

Es ist zweckmäßig, wenn für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der mechanischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels erfasst werden, nämlich hinsichtlich des absoluten Druckes und/oder des Druckes über die Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder des Leistungsgradienten bezüglich der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels und/oder der Anzahl von Froststarts.It is expedient if the aging influences with regard to the mechanical load on each fuel cell stack are recorded in order to determine the degree of degradation, namely with regard to the absolute pressure and/or the pressure across the membranes of the membrane electrode assemblies and/or the power gradient with regard to the fuel cells of the fuel cell stack and/or or the number of frost starts.

Einen verbesserten Wissensstand mit gleichmäßiger Alterung erreicht man auch, wenn für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der elektrochemischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels erfasst werden, nämlich hinsichtlich der Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung und/oder der Temperatur und/oder der relativen Feuchte der Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder der Anzahl von Luft/Luft-Starts.An improved level of knowledge with uniform aging can also be achieved if the aging influences with regard to the electrochemical load of each fuel cell stack are recorded in order to determine the degree of degradation, namely with regard to the current strength and/or the electrical voltage and/or the temperature and/or the relative humidity of the membranes the membrane electrode assemblies and/or the number of air/air starts.

Wiederum der Erzielung der vorstehenden Vorteile dient, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der Nebenaggregate berücksichtigt werden, die ausgewählt sind aus einer Gruppe die Verdichter, elektrische Turbolader für die Verdichter, Gebläse für die Rezirklierung in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenstapel, Thermostatventile, Befeuchter mit Befeuchtermembranen, DC/DC-Wandler umfasst.Again, the achievement of the above advantages is that for the determination of the degree of degradation, the aging influences are taken into account with regard to the ancillaries, which are selected from a group of compressors, electric turbochargers for the compressors, fans for recirculation in an anode circuit of the fuel cell stack, thermostatic valves, humidifiers with humidifier membranes, DC/DC converter included.

Der Vollständigkeit der Einbeziehung unterschiedlicher Parameter dient, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse für die Verdichter und/oder die Gebläse hinsichtlich der Temperatur und der Drehzahl, und/oder für die elektrischen Turbolader hinsichtlich der Temperatur nach dem Verdichter und/oder der Drehzahl und/oder der Starthäufigkeit und/oder des Differenzdruckes zwischen dem Verdichter und der Turbine des elektrischen Turboladers und/oder die Thermostatventile hinsichtlich der Schalthäufigkeit und/oder für die Befeuchter hinsichtlich der Temperatur und/oder der Feuchte der Befeuchtermembran und/oder für die DC/DC-Wandler hinsichtlich der Stromstärke und/oder der Temperatur und/oder der Temperaturänderung erfasst werden.The completeness of the inclusion of different parameters serves that for the determination of the degree of degradation the aging influences for the compressors and/or the fans with regard to the temperature and the speed, and/or for the electric turbochargers with regard to the temperature after the compressor and/or the speed and /or the starting frequency and/or the differential pressure between the compressor and the turbine of the electric turbocharger and/or the thermostatic valves with regard to the switching frequency and/or for the humidifier with regard to the temperature and/or the humidity of the humidifier membrane and/or for the DC/DC -Converter are detected in terms of current and / or temperature and / or temperature change.

Da die Brennstoffzellenstapel kostenintensive Komponenten darstellen, deren Wartung und Ersatz die Kosten über die gesamte Lebensdauer des Systems beeinflussen, ist vorgesehen, dass die Alterungseinflüsse der jeweiligen Brennstoffzellenstapel gegenüber den zugeordneten Nebenaggregaten stärker gewichtet werden bei der Bestimmung des Degradationsgrades.Since the fuel cell stacks represent cost-intensive components whose maintenance and replacement affect the costs over the entire service life of the system, it is provided that the aging effects of the respective fuel cell stack are weighted more heavily than the associated ancillary units when determining the degree of degradation.

Der Verbesserung der Lebensdauer durch Erzielung eines gleichmässigen Verschleisses dient auch, dass in einem Steuergerät die einzelnen Brennstoffzellenstapel mit den zugeordneten Nebenaggregaten klassifiziert werden für einer Priorisierung der Zuordnung von künftigen Betriebszeiten bei einer Aktivierung und mit einer Inversion der Priorisierung bei einer Deaktivierung.The improvement in service life by achieving uniform wear also serves to classify the individual fuel cell stacks with the assigned ancillary units in a control unit for prioritizing the assignment of future operating times when activated and with an inversion of the prioritization when deactivated.

Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten ausgestatteten Brennstoffzellenstapel, die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate individuell die Alterungseinflüsse mittels einer Messanordnung, die ausgebildet ist, einzelne Leistungsdaten zu erfassen, detektierbar und/oder anhand der Betriebsdauer und der Betriebsrahmenbedingungen hinsichtlich des Erwartungswertes vorhersagbar sind, und mit einem Steuergerät, das ausgebildet ist, anhand der Alterungseinflüsse jedes Brennstoffzellenstapels mit den zugeordneten Nebenaggregaten zukünftige Betriebszeiten jedem Brennstoffzellenstapel so zuzuordnen, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem geringsten Degradationsgrad aktiviert ist und eine gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel erreicht ist, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades der Brennstoffzellenstapel unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegen.The advantages and effects mentioned above also apply mutatis mutandis to a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks equipped with ancillary units can be selectively activated and/or deactivated, with the aging effects being detectable and/or predictable with regard to the expected value for each fuel cell stack and for each of the associated ancillaries using a measuring arrangement designed to record individual performance data, and with a control device that is designed to use the aging effects of each fuel cell stack with the associated ancillaries to allocate future operating times to each fuel cell stack in such a way that the fuel cell stack with the lowest degree of degradation is activated and an even distribution of future operating times to the fuel cell stack is achieved if the differences between the Degrees of degradation of the fuel cell stack are below a predetermined or specifiable threshold value.

In einer Weitergestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens einer der inaktiven Brennstoffzellenstapel zur Reduzierung reversibler Alterungseffekte aufbereitet wird, insbesondere unter Verringerung seines Degradationsgrads. Somit können also während der inaktiven Phase die Brennstoffzellenstapel einer Recovery-Strategie unterzogen werden, insbesondere also reversible Alterungseffekte bei den inaktiven Brennstoffzellenstapel reduziert oder beseitigt werden. Beispielsweise kann eine Sauerstoffverarmung kathodenseitig vorgenommen werden unter Aufrechterhaltung des Stromflusses über einer vorgegebenen oder vorgebbaren Mindeststromstärke für eine vorgegebene Zeitdauer. Dies führt dazu, dass das Spannungspotential der einzelnen Brennstoffzelle absinkt, was für die Reduktion des Katalysatoroxids förderlich ist. Da weiterhin durch die Sauerstoffverarmung das Brennstoffzellensystem in einem unterstöchiometrischen Verhältnis betrieben wird, also der Kathodenseite weniger Sauerstoff zugeführt wird als für die Reaktion mit dem bereitgestellten Wasserstoff erforderlich ist, reagiert der überschüssige Wasserstoff mit dem Sauerstoff des Katalysatoroxids, sodass der Katalysator regeneriert wird. Der sich daraus ergebende geringere Degradationsgrad kann bei den Alterungseinflüssen berücksichtigt werden.In a further development of the invention, it has proven to be advantageous if at least one of the inactive fuel cell stacks is processed to reduce reversible aging effects, in particular by reducing its degree of degradation. Thus, the fuel cell stacks can be subjected to a recovery strategy during the inactive phase, ie in particular reversible aging effects in the inactive fuel cell stacks can be reduced or eliminated. For example, oxygen depletion can be carried out on the cathode side while maintaining the current flow above a predetermined or predeterminable minimum current intensity for a predetermined period of time. This causes the voltage potential of the individual fuel cell to drop, which is conducive to the reduction of the catalyst oxide. Since the fuel cell system is also operated in a sub-stoichiometric ratio due to the oxygen depletion, i.e. less oxygen is supplied to the cathode side than is required for the reaction with the hydrogen provided, the excess hydrogen reacts with the oxygen of the catalyst oxide, so that the catalyst is regenerated. The resulting lower degree of degradation can be taken into account in the aging effects.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellenvorrichtungen,
  • 2 eine Darstellung der relativen Häufigkeit eines Betriebszustandes bei einer gegebenen elektrischen Spannung pro Brennstoffzelle, in der oberen Reihe für eine erste Brennstoffzellenvorrichtung und in der unteren Reihe für eine zweite Brennstoffzellenvorrichtung, bei der ein höherer Anteil am Niederlastbetrieb bei hohen Zellspannungen vorliegt, kenntlich gemacht durch die Ringe,
  • 3 eine zeitabhängige Darstellung der generierten Leistung der ersten Brennstoffzellenvorrichtung (strichlierte Linie) und der zweiten Brennstoffzellenvorrichtung (gepunktete Linie) in der oberen Reihe mit den Ein- und Ausschaltvorgängen, mit der Temperatur nach dem Brennstoffzellenstapel (mittlere Reihe) und der Geschwindigkeit (strichlierte Linie) und der Steigung (gepunktete Linie) (untere Reihe), und
  • 4 eine Abschätzung der zeitabhängigen elektrochemischen Degradation mit dem der Optimierung dienenden Verfahren (linke Darstellung) und ohne dem der Optimierung dienenden Verfahren (rechte Darstellung).
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing. It shows:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system with several fuel cell devices,
  • 2 a representation of the relative frequency of an operating state at a given electrical voltage per fuel cell, in the top row for a first fuel cell device and in the bottom row for a second fuel cell device, in which there is a higher proportion of low-load operation at high cell voltages, identified by the rings ,
  • 3 a time-dependent representation of the generated power of the first fuel cell device (dashed line) and the second fuel cell device (dotted line) in the upper row with the switching on and off processes, with the temperature after the fuel cell stack (middle row) and the speed (dashed line) and the slope (dotted line) (bottom row), and
  • 4 an estimation of the time-dependent electrochemical degradation with the optimization method (left diagram) and without the optimization method (right diagram).

In 1 ist stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, das aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel 2 besteht, von denen in der 1 nur zwei gezeigt sind, die aber durch weitere ergänzt werden können. Die Brennstoffzellenstapel 2 sind jeweils mit schematisch dargestellten Nebenaggregaten 3 versehen, die beispielsweise gebildet sind durch Verdichter, elektrische Turbolader für die Verdichter, Gebläse für die Rezirklierung in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenstapel, Thermostatventile, Befeuchter mit Befeuchtermembranen, DC/DC-Wandler, Kühlmittelpumpe, Strahlpumpe, Ladeluftkühler.In 1 a fuel cell system 1 is shown in highly schematic form, which consists of a plurality of fuel cell stacks 2, one of which is shown in FIG 1 only two are shown, but others may be added. The fuel cell stacks 2 are each provided with ancillary units 3 shown schematically, which are formed, for example, by compressors, electric turbochargers for the compressors, fans for recirculation in an anode circuit of the fuel cell stack, thermostatic valves, humidifiers with humidifier membranes, DC/DC converters, coolant pumps, jet pumps , intercooler.

Die Brennstoffzellenstapel 2 sind selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel 2 und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate 3 individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden. Es können also beispielsweise für jeden Brennstoffzellenstapel 2 und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate 3 individuell die Alterungseinflüsse mittels einer Messanordnung erfasst werden, die einzelne Leistungsdaten erfasst, wodurch der Degradationsgrad bestimmbar ist. Denkbar ist es auch, anhand der Betriebsdauer und der Betriebsrahmenbedingungen einen Erwartungswert zu bestimmen für die Degradation, als beispielsweise eine Betriebsdauer von 100 Stunden einer der Komponente mit einer Degradation um 20 % zu verknüpfen; für eine andere Komponente kann ein anderer Wert gelten. Teil des Brennstoffzellensystems ist auch ein Steuergerät 4, das ausgebildet ist, anhand der Alterungseinflüsse jedes Brennstoffzellenstapels 2 mit den zugeordneten Nebenaggregaten 3 zukünftige Betriebszeiten jedem Brennstoffzellenstapel 2 so zuzuordnen, dass der Brennstoffzellenstapel 2 mit den Nebenaggregaten 3 mit dem geringsten Degradationsgrad aktiviert ist und eine gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel 2 erreicht ist, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades der Brennstoffzellenstapel 2 unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt. Mit diesem Brennstoffzellensystem 1 ist also ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 ausführbar, das folgende Schritte umfasst:

  • - Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der Brennstoffzellenstapel 2 mit den Nebenaggregaten 3, deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und
  • - gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel 2, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt.
The fuel cell stacks 2 can be activated and/or deactivated selectively, with the aging effects being determined individually for each fuel cell stack 2 and for each of the associated ancillary units 3 by means of measured values or expected values. For example, for each fuel cell stack 2 and for each of the associated ancillary units 3 individually, the aging influences are recorded by means of a measuring arrangement that records individual performance data, as a result of which the degree of degradation can be determined. It is also conceivable to determine an expected value for the degradation on the basis of the operating time and the general operating conditions, for example associating an operating time of 100 hours for one of the components with a degradation of 20%; a different value may apply to a different component. Part of the fuel cell system is also a control unit 4, which is designed to assign future operating times to each fuel cell stack 2 based on the aging effects of each fuel cell stack 2 with the associated ancillary units 3 in such a way that the fuel cell stack 2 with the ancillary units 3 is activated with the lowest degree of degradation and an even distribution future operating times is reached on the fuel cell stack 2 when the differences in the degree of degradation of the fuel cell stack 2 is below a predetermined or specifiable threshold value. This fuel cell system 1 can therefore be used to carry out a method for operating the fuel cell system 1, which comprises the following steps:
  • - Allocation of future operating times to one of the fuel cell stack 2 with the ancillary units 3, whose degree of degradation determined on the basis of the aging effects is the lowest, and
  • - Even distribution of future operating times on the fuel cell stack 2 if the differences in the degree of degradation is below a predetermined or specifiable threshold value.

So ist es auch ermöglicht, dass beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel 2 nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel 2 eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird, und dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel 2 nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel 2 eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird. In dem Steuergerät 4 werden die einzelnen Brennstoffzellenstapel 2 mit den zugeordneten Nebenaggregaten 3 klassifiziert für eine Priorisierung der Zuordnung von künftigen Betriebszeiten bei einer Aktivierung und für eine Inversion der Priorisierung bei einer Deaktivierung.It is also possible that when an increased load requirement is detected, those inactive fuel cell stacks 2 are activated one after the other in a sequence with increasing degree of degradation until the active fuel cell stack 2 provides a power that meets the increased load requirement, and that when a reduced one is detected Load requirement those active fuel cell stacks 2 are deactivated one after the other in an order with decreasing degree of degradation until the still active fuel cell stack 2 provides a performance that meets the reduced load requirement. In the control unit 4, the individual fuel cell stacks 2 with the associated ancillary units 3 are classified for prioritizing the assignment of future operating times when activated and for inverting the prioritization when deactivated.

Dabei werden für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der mechanischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels 2 erfasst, nämlich hinsichtlich des absoluten Druckes und/oder des Druckes über die Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder des Leistungsgradienten bezüglich der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 und/oder der Anzahl von Froststarts.To determine the degree of degradation, the aging influences with regard to the mechanical load on each fuel cell stack 2 are recorded, namely with regard to the absolute pressure and/or the pressure across the membranes of the membrane electrode assemblies and/or the power gradient with regard to the fuel cells of the fuel cell stack 2 and/or the Number of frost starts.

Auch werden für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse 2 hinsichtlich der elektrochemischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels erfasst, nämlich hinsichtlich der Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung und/oder der Temperatur und/oder der relativen Feuchte der Membranen der Membran-Elektroden-anordnungen und/oder der Anzahl von Luft/Luft-Starts. 2 zeigt in der unteren Reihe eine höhere Belastung des Brennstoffzellenstapels durch einen häufigeren Betrieb im Niederlastbereich bei hohen Zellspannungen, die die Degradation fördern. Für die Analyse und Auswertung der Mendaten sind diese als Histogramm dargestellt.The aging influences 2 with regard to the electrochemical load of each fuel cell stack are also recorded for determining the degree of degradation, namely with regard to the current intensity and/or the electrical voltage and/or the temperature and/or the relative humidity of the membranes of the membrane electrode assemblies and/or the number of air-to-air launches. 2 shows in the bottom row a higher load on the fuel cell stack due to more frequent operation in the low-load range at high cell voltages, which promote degradation. For the analysis and evaluation of the menu data, these are shown as a histogram.

Entsprechend werden für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der Nebenaggregate 3 berücksichtigt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe die Verdichter, elektrische Turbolader für die Verdichter, Gebläse für die Rezirklierung in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenstapel, Thermostatventile, Befeuchter mit Befeuchtermembranen, DC/DC-Wandler umfasst. Correspondingly, the aging influences with regard to the ancillary units 3 are taken into account for determining the degree of degradation, which are selected from a group consisting of the compressors, electric turbochargers for the compressors, fans for recirculation in an anode circuit of the fuel cell stack, thermostatic valves, humidifiers with humidifier membranes, DC/DC converter included.

Vorgesehen ist auch, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse für die Verdichter und/oder die Gebläse hinsichtlich der Temperatur und der Drehzahl, und/oder für die elektrischen Turbolader hinsichtlich der Temperatur nach dem Verdichter und/oder der Drehzahl und/oder der Starthäufigkeit und/oder des Differenzdruckes zwischen dem Verdichter und der Turbine des elektrischen Turboladers und/oder die Thermostatventile hinsichtlich der Schalthäufigkeit und/oder für die Befeuchter hinsichtlich der Temperatur und/oder der Feuchte der Befeuchtermembran und/oder für die DC/DC-Wandler hinsichtlich der Stromstärke und/oder der Temperatur und/oder der Temperaturänderung erfasst werden.It is also provided that for the determination of the degree of degradation, the aging influences for the compressors and/or the fans with regard to the temperature and speed, and/or for the electric turbochargers with regard to the temperature after the compressor and/or the speed and/or the starting frequency and/or the differential pressure between the compressor and the turbine of the electric turbocharger and/or the thermostatic valves with regard to the switching frequency and/or for the humidifier with regard to the temperature and/or the humidity of the humidifier membrane and/or for the DC/DC converter with regard to the Current and / or the temperature and / or the temperature change are detected.

Die Alterungseinflüsse der jeweiligen Brennstoffzellenstapel werden gegenüber den zugeordneten Nebenaggregate stärker gewichtet bei der Bestimmung des Degradationsgrades, da dies der besseren Erhaltung der Brennstoffzellenstapel dient, deren Wartung und Austausch als Hauptkomponente aufwändiger und kostenintensiver ist.The aging effects of the respective fuel cell stack are weighted more heavily than the associated ancillary units when determining the degree of degradation, since this serves to better preserve the fuel cell stack, the maintenance and replacement of which as the main component is more complex and expensive.

4 zeigt die Abschätzung der elektrochemischen Degradation, wobei ein Wert von 25 auf der Ordinate die Grenze der Lebensdauer angibt. Der erfindungsgemäße Betrieb führt zu einer Lebensdauer von ca. 10.000 Stunden (linke Grafik) gegenüber nur 7.000 Stunden ohne die erfindungsgemäße Optimierung (rechte Grafik). 4 shows the estimation of the electrochemical degradation, where a value of 25 on the ordinate indicates the limit of the lifetime. The operation according to the invention leads to a service life of approx. 10,000 hours (left graphic) compared to only 7,000 hours without the optimization according to the invention (right graphic).

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten (3) ausgestatteten Brennstoffzellenstapel (2), die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel (2) und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate (3) individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden, umfassend die Schritte: - Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der Brennstoffzellenstapel (2) mit den Nebenaggregaten (3), deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und - gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel (2), wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegen.Method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (2) equipped with auxiliary units (3) which can be activated and/or deactivated selectively, wherein for each fuel cell stack (2) and for each of the associated auxiliary units (3) the Aging influences are determined using measured values or expected values, comprising the steps: - Assignment of future operating times to one of the fuel cell stacks (2) with the ancillary units (3) whose degree of degradation, determined on the basis of the aging effects, is the lowest, and - Uniform distribution of future operating times on the fuel cell stack (2) if the differences in the degree of degradation are below a predetermined or specifiable threshold value. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel (2) nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel (2) eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that when an increased load requirement is detected, those inactive fuel cell stacks (2) are activated one after the other in a sequence with increasing degree of degradation until the active fuel cell stack (2) provides a power that meets the increased load requirement. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel (2) nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel (2) eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that when a reduced load requirement is detected, those active fuel cell stacks (2) are deactivated one after the other in a sequence with decreasing degree of degradation until the still active fuel cell stack (2) provides a power that meets the reduced load requirement. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der mechanischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels (2) erfasst werden, nämlich hinsichtlich des absoluten Druckes und/oder des Druckes über die Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder des Leistungsgradienten bezüglich der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels und/oder der Anzahl von Froststarts.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that for the determination of the degree of degradation the aging influences with regard to the mechanical load of each fuel cell stack (2) are recorded, namely with regard to the absolute pressure and/or the pressure across the membranes of the membrane electrode assemblies and/or the power gradient with regard to the fuel cells of the Fuel cell stack and / or the number of frost starts. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der elektrochemischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels (2) erfasst werden, nämlich hinsichtlich der Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung und/oder der Temperatur und/oder der relativen Feuchte der Membranen der Membran-Elektroden-anordnungen und/oder der Anzahl von Luft/Luft-Starts.Procedure according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that for the determination of the degree of degradation the aging influences with regard to the electrochemical load of each fuel cell stack (2) are recorded, namely with regard to the current intensity and/or the electrical voltage and/or the temperature and/or the relative humidity of the membranes of the membrane electrode locations and/or the number of air/air starts. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der Nebenaggregate (3) berücksichtigt werden, die ausgewählt sind aus einer Gruppe die Verdichter, elektrische Turbolader für die Verdichter, Gebläse für die Rezirklierung in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenstapel, Thermostatventile, Befeuchter mit Befeuchtermembranen, DC/DC-Wandler umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that for the determination of the degree of degradation, the aging influences with regard to the ancillaries (3) are taken into account, which are selected from a group consisting of compressors, electric turbochargers for the compressors, fans for recirculation in an anode circuit of the fuel cell stack, thermostatic valves, humidifiers with Humidifier membranes, DC/DC converter included. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse für die Verdichter und/oder die Gebläse hinsichtlich der Temperatur und der Drehzahl, und/oder für die elektrischen Turbolader hinsichtlich der Temperatur nach dem Verdichter und/oder der Drehzahl und/oder der Starthäufigkeit und/oder des Differenzdruckes zwischen dem Verdichter und der Turbine des elektrischen Turboladers und/oder die Thermostatventile hinsichtlich der Schalthäufigkeit und/oder für die Befeuchter hinsichtlich der Temperatur und/oder der Feuchte der Befeuchtermembran und/oder für die DC/DC-Wandler hinsichtlich der Stromstärke und/oder der Temperatur und/oder der Temperaturänderung erfasst werden.procedure after claim 6 , characterized in that for the determination of the degree of degradation, the aging influences for the compressor and/or the fan in terms of temperature and speed, and/or for the electric turbocharger in terms of temperature after the compressor and/or speed and/or starting frequency and/or the differential pressure between the compressor and the turbine of the electric turbocharger and/or the thermostatic valves with regard to the switching frequency and/or for the humidifier with regard to the temperature and/or the humidity of the humidifier membrane and/or for the DC/DC converter with regard to the Current and / or the temperature and / or the temperature change are detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterungseinflüsse der jeweiligen Brennstoffzellenstapel (2) gegenüber den zugeordneten Nebenaggregaten (3) stärker gewichtet werden bei der Bestimmung des Degradationsgrades.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the aging effects of the respective fuel cell stack (2) compared to the associated ancillaries (3) are weighted more heavily when determining the degree of degradation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Steuergerät (4) die einzelnen Brennstoffzellenstapel (2) mit den zugeordneten Nebenaggregaten (3) klassifiziert werden für einer Priorisierung der Zuordnung von künftigen Betriebszeiten bei einer Aktivierung und mit einer Inversion der Priorisierung bei einer Deaktivierung.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that in a control unit (4) the individual fuel cell stacks (2) with the associated ancillaries (3) are classified for prioritizing the assignment of future operating times when activated and with an inversion of the prioritization when deactivated. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten (3) ausgestatteten Brennstoffzellenstapel (2), die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel (2) und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate (3) individuell die Alterungseinflüsse mittels einer Messanordnung, die ausgebildet ist, einzelne Leistungsdaten zu erfassen, detektierbar und/oder anhand der Betriebsdauer und der Betriebsrahmenbedingungen hinsichtlich des Erwartungswertes vorhersagbar sind, und mit einem Steuergerät (4), das ausgebildet ist, anhand der Alterungseinflüsse jedes Brennstoffzellenstapels (2) mit den zugeordneten Nebenaggregaten (3) zukünftige Betriebszeiten jedem Brennstoffzellenstapel (2) so zuzuordnen, dass der Brennstoffzellenstapel (2) mit dem geringsten Degradationsgrad aktiviert ist und eine gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel (2) erfolgt, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades der Brennstoffzellenstapel (2) unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegen.Fuel cell system (1) with a plurality of auxiliary units (3) equipped Fuel cell stacks (2) that can be selectively activated and/or deactivated, with the aging effects being individually detectable and/or the expected value can be predicted on the basis of the operating time and the general operating conditions, and with a control unit (4) which is designed to assign future operating times to each fuel cell stack (2) based on the aging effects of each fuel cell stack (2) with the associated ancillary units (3) in such a way that the fuel cell stack (2) with the lowest degree of degradation is activated and future operating times are distributed evenly to the fuel cell stack (2) if the differences in the degree of degradation of the fuel cell stack (2) are below a predetermined or specifiable threshold value.
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