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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels.
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Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff (H2), elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet.
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Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann der Brennstoffzellenstapel Zustände annehmen, die zu einer Beeinträchtigung, insbesondere zu einer Schädigung, des Brennstoffzellenstapels führen können.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, den Zustand eines Brennstoffzellenstapels, allgemein eines elektrochemischen Energiewandlers, in effizienter, zuverlässiger, schneller und präziser Weise zu ermitteln, insbesondere um eine Beeinträchtigung des Brennstoffzellenstapels zu vermeiden.
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Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers (insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, der ein oder mehrere Brennstoffzellen aufweist) beschrieben. Beispielhafte mögliche Zustände sind,
- • ein Normalzustand, bei dem der Energiewandler z.B. eine ausreichende Menge an Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Reaktionsprodukten aufweist;
- • ein Brennstoff-Mangelzustand, bei dem der Energiewandler z.B. eine unzureichende Menge an Brennstoff aufweist;
- • ein Oxidationsmittel-Mangelzustand, bei dem der Energiewandler z.B. eine unzureichende Menge an Oxidationsmittel aufweist;
- • ein Überflutungs-Zustand, bei dem in dem Energiewandler z.B. eine überhöhte Menge an Reaktionsprodukten (insbesondere Wasser) angeordnet ist; und/oder
- • ein Austrocknungs-Zustand, bei dem in dem Energiewandler z.B. eine unzureichende Menge an Reaktionsprodukten angeordnet ist.
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Die Vorrichtung ist eingerichtet, ein AC (Alternating Current)-Anregungssignal an dem Energiewandler zu bewirken. Dabei kann die Frequenz des AC-Anregungssignals gemäß einem Frequenzdurchlauf verändert werden. Der Frequenzdurchlauf kann z.B. eine Gesamtdauer von einer Sekunde oder weniger (z.B. von 500ms) aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann der Frequenzdurchlauf N unterschiedliche Frequenzen aufweisen, z.B. mit N gleich 100 oder mehr, oder N gleich 500 oder mehr. Ein Frequenzdurchlauf kann auch als Frequency-Sweep bzw. Frequenz-Sweep bezeichnet werden. Ferner kann sich ein Frequenzdurchlauf von einer ersten Frequenz (z.B. von 5Hz oder weniger) bis zu einer zweiten Frequenz (z.B. von 1kHz oder mehr) erstrecken. Das AC-Anregungssignal kann ggf. durch einen Gleichspannungswandler bewirkt werden.
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Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, ein durch das AC-Anregungssignal bewirktes AC-Messsignal an dem Energiewandler zu erfassen (wobei das AC-Messsignal typischerweise die Frequenzen aus dem Frequenzdurchlauf aufweist). Das AC-Anregungssignal kann einen AC-Messstrom (der auch als Wechsel-Messstrom bezeichnet wird) und das AC-Messsignal kann eine AC-Messspannung (die auch als Wechsel-Messspannung bezeichnet wird) umfassen. Alternativ kann das AC-Anregungssignal eine AC-Messspannung und das AC-Messsignal kann einen AC-Messstrom umfassen. Das AC-Messsignal kann anhand eines Hochpass-Filters erfasst werden.
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Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, auf Basis des AC-Anregungssignals und auf Basis des AC-Messsignals (insbesondere auf Basis der Amplituden und der Phasen der jeweiligen Signale) einen Impedanz-Frequenzverlauf für den Energiewandler zu ermitteln. Der Impedanz-Frequenzverlauf weist dabei für die unterschiedlichen Frequenzen aus dem Frequenzdurchlauf jeweils einen Wert der Impedanz auf.
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Außerdem ist die Vorrichtung eingerichtet, den Zustand des Energiewandlers auf Basis des Impedanz-Frequenzverlaufs zu ermitteln. Der Energiewandler kann dann in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand betrieben werden, insbesondere mit dem Ziel, den Energiewandler in den Normalzustand zu überführen.
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Es wird somit eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, den Zustand eines Energiewandlers in effizienter, schneller und präziser Weise zu ermitteln, insbesondere um (durch einen entsprechend angepassten Betrieb des Energiewandlers) eine Beeinträchtigung des Energiewandlers zu vermeiden. Zu diesem Zweck können der Impedanz-Frequenzverlauf und der Zustand des Energiewandlers wiederholt, insbesondere periodisch, ermittelt werden (z.B. mit einer Frequenz von 0, 1Hz oder mehr).
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den Frequenzdurchlauf des AC-Anregungssignals zu verändern, insbesondere in Bezug darauf, wie sich die Frequenz des AC-Anregungssignals entlang der Zeit verändert. Beispielsweise kann eine lineare, eine logarithmische oder eine exponentielle Veränderung der Frequenz innerhalb der Frequenzdurchlaufs bewirkt werden.
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Es kann dann ein veränderter Impedanz-Frequenzverlauf für den Energiewandler unter Verwendung des veränderten Frequenzdurchlaufs ermittelt werden. Ferner kann der Zustand des Energiewandlers auf Basis des veränderten Impedanz-Frequenzverlaufs ermittelt, insbesondere angepasst, werden.
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Beispielsweise kann unter Verwendung eines ersten Frequenzdurchlaufs ein erster Impedanz-Frequenzverlauf und basierend darauf der (vorläufige) Zustand des Energiewandlers ermittelt werden. Der Frequenzdurchlauf kann dann (unter Berücksichtigung des ermittelten Zustands) verändert werden, und es kann unter Verwendung des veränderten Frequenzdurchlaufs ein veränderter Impedanz-Frequenzverlauf ermittelt werden, um basierend darauf den Zustand des Energiewandlers mit erhöhter Genauigkeit zu ermitteln.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, einen Frequenzdurchlauf aus einer Menge von unterschiedlichen Frequenzdurchläufen auszuwählen (z.B. auf Basis eines zuvor ermittelten (vorläufigen) Zustands des Energiewandlers). Die unterschiedlichen Frequenzdurchläufe können sich in Bezug auf die zeitliche Veränderung der Frequenz innerhalb der Zeitdauer des jeweiligen Frequenzdurchlaufs unterscheiden. Die Menge von unterschiedlichen Frequenzdurchläufen kann z.B. umfassen,
- • einen linearen Frequenzdurchlauf, bei dem die Frequenz linear entlang der Zeit von der ersten Frequenz bis zu der zweiten Frequenz (monoton steigend oder sinkend) verändert, insbesondere erhöht oder reduziert, wird;
- • einen exponentiellen Frequenzdurchlauf, bei dem die Frequenz exponentiell entlang der Zeit von der ersten Frequenz bis zu der zweiten Frequenz (monoton steigend oder sinkend) verändert, insbesondere erhöht oder reduziert, wird; und/oder
- • einen logarithmischen Frequenzdurchlauf, bei dem die Frequenz logarithmisch entlang der Zeit von der ersten Frequenz bis zu der zweiten Frequenz (monoton steigend oder sinkend) verändert, insbesondere erhöht oder reduziert, wird.
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Der Impedanz-Frequenzverlauf für den Energiewandler (der für die Ermittlung des Zustands der Energiewandlers verwendet wird) kann unter Verwendung des ausgewählten Frequenzdurchlaufs ermittelt werden. So kann die Genauigkeit der Zustandsermittlung weiter erhöht werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, unter Verwendung der einzelnen Frequenzdurchläufe aus der Menge von Frequenzdurchläufen (die z.B. zwei oder mehr, oder drei oder mehr unterschiedliche Frequenzdurchläufe aufweist) jeweils einen Frequenzdurchlauf-spezifischen Impedanz-Frequenzverlauf zu ermitteln. Es kann somit eine Menge von Frequenzdurchlauf-spezifischen Impedanz-Frequenzverläufen für die entsprechende Menge von unterschiedlichen Frequenzdurchläufen ermittelt werden.
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Der Zustand des Energiewandlers kann dann in besonders präziser Weise auf Basis der Menge von Frequenzdurchlauf-spezifischen Impedanz-Frequenzverläufen ermittelt werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, auf Basis zumindest eines ermittelten Impedanz-Frequenzverlaufs den Zustand des Energiewandlers aus einer Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen des Energiewandlers auszuwählen. Die Menge von möglichen Zuständen kann z.B. zwei oder mehr, oder drei oder mehr, oder vier oder mehr Zustände umfassen. Durch die Auswahl eines möglichen Zustands kann die Genauigkeit der Zustandsermittlung weiter erhöht werden.
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den ermittelten Impedanz-Frequenzverlauf mit einer Menge von (im Vorfeld ermittelten) Referenz-Frequenzverläufen für die entsprechende Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen des Energiewandlers zu vergleichen. Der Zustand des Energiewandlers kann dann basierend auf dem Vergleich aus der Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen des Energiewandlers ausgewählt werden.
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Insbesondere kann für die einzelnen Referenz-Frequenzverläufe aus der Menge von Referenz-Frequenzverläufen jeweils der Wert eines Abstandsmaßes (z.B. des mittleren quadratischen Abstands) für den Abstand des ermittelten Impedanz-Frequenzverlaufs mit dem jeweiligen Referenz-Frequenzverlauf ermittelt werden. Der Zustand des Energiewandlers kann dann in besonders präziser und robuster Weise basierend auf den ermittelten Werten des Abstandsmaßes aus der Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen des Energiewandlers ausgewählt werden (z.B. als der mögliche Zustand mit dem niedrigsten Wert des Abstandsmaßes).
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Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, die einzelnen Frequenzdurchlauf-spezifischen Impedanz-Frequenzverläufe jeweils mit einer Menge von Frequenzdurchlauf-spezifischen Referenz-Frequenzverläufen für die entsprechende Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen des Energiewandlers zu vergleichen. Es kann somit für die unterschiedlichen Frequenzdurchläufe jeweils eine Menge von Frequenzdurchlauf-spezifischen Referenz-Frequenzverläufen bereitgestellt werden.
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Der Zustand des Energiewandlers kann dann in besonders präziser Weise basierend auf den Vergleichen aus der Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen des Energiewandlers ausgewählt werden. Zu diesem Zweck können, wie weiter oben beschrieben, Werte des Abstandsmaßes ermittelt und miteinander verglichen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers beschrieben. Das Verfahren umfasst das Bewirken eines AC-Anregungssignals an dem Energiewandler, wobei die Frequenz des AC-Anregungssignals gemäß einem Frequenzdurchlauf verändert wird. Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen eines durch das AC-Anregungssignal bewirkten AC-Messsignals an dem Energiewandler. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln, auf Basis des AC-Anregungssignals und auf Basis des AC-Messsignals, eines Impedanz-Frequenzverlaufs für den Energiewandler, sowie das Ermitteln des Zustands des Energiewandlers auf Basis des Impedanz-Frequenzverlaufs.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
- 1b eine beispielhafte Messanordnung zur Ermittlung des Impedanz-Frequenzverlaufs der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels;
- 2 eine beispielhafte Brennstoffzelle;
- 3a beispielhafte Frequenzdurchläufe (auf Englisch, frequency sweeps) zur Ermittlung des Impedanz-Frequenzverlaufs für einen Brennstoffzellenstapel;
- 3b beispielhafte Referenz-Frequenzverläufe; und
- 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung des Zustands eines Brennstoffzellenstapels.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten, schnellen und zuverlässigen Ermittlung des Zustands eines Energiewandlers, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels. Im Folgenden wird spezifisch auf einen Brennstoffzellenstapel (als Beispiel für einen Energiewandler) eingegangen. Es sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Aspekte allgemein für einen (elektrochemischen) Energiewandler anwendbar sind.
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1a zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H2), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP (balance of plant)-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellte elektrische Leistung kann von einer (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 gesteuert und/oder geregelt werden. In diesem Zusammenhang kann der Massenstrom an Brennstoff 211 und/oder der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Brennstoffzellenstapel 102 gesteuert und/oder geregelt werden. Der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere durch einen Kompressor, eingestellt und/oder verändert werden.
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Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
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Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
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Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
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Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
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Der von dem Brennstoffzellenstapel 102 erzeugte elektrische Strom kann über einen Gleichspannungswandler 120 einer Stromsenke 121 bereitgestellt werden, z.B. einem elektrischen Antriebsmotor und/oder einem elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs.
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Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 kann der Brennstoffzellenstapel 102 unterschiedliche Zustände annehmen, die ggf. zu einer Beeinträchtigung des Brennstoffzellenstapels 102 führen können. Beispielhafte Zustände sind,
- • ein Normalzustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 102 mit einer passenden Menge an Brennstoff 211 und Oxidationsmittel 212 versorgt ist, und bei dem eine passende Menge an Reaktionsprodukten (insbesondere Wasser) in dem Brennstoffzellenstapel 102 vorliegt;
- • ein Brennstoff-Mangelzustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 102 mit einer unzureichenden Menge an Brennstoff 211 versorgt wird;
- • ein Oxidationsmittel-Mangelzustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 102 mit einer unzureichenden Menge an Oxidationsmittel 212 versorgt wird;
- • ein Überflutungs-Zustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 102 eine zu hohe Menge an Reaktionsprodukten (insbesondere Wasser) aufweist; und/oder
- • ein Austrocknungs-Zustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 102 eine unzureichende Menge an Reaktionsprodukten (insbesondere Wasser) aufweist.
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Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen es, in effizienter, schneller und zuverlässiger Weise den Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 (aus einer vordefinierten Menge von unterschiedlichen möglichen Zuständen) zu ermitteln.
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Zu diesem Zweck kann der Impedanz-Frequenzverlauf des Brennstoffzellenstapels 102 ermittelt werden. Der Impedanz-Frequenzverlauf kann (z.B. in einem Nyqvist-Diagramm) den Imaginärteil 322 und den Realteil 321 der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 102 als Funktion der Frequenz anzeigen (siehe 3b). Der Impedanz-Frequenzverlauf des Brennstoffzellenstapels 102 kann mit ein oder mehreren Referenz-Frequenzverläufen 331, 332, 333, 334, 335 verglichen werden, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 zu ermitteln. 3b zeigt
- • einen ersten Referenz-Frequenzverlauf 331 für den Normalzustand;
- • einen zweiten Referenz-Frequenzverlauf 332 für den Überflutungs-Zustand;
- • einen dritten Referenz-Frequenzverlauf 333 für den Brennstoff-Mangelzustand;
- • einen vierten Referenz-Frequenzverlauf 334 für den Oxidationsmittel-Mangelzustand; und
- • einen fünften Referenz-Frequenzverlauf 335 für den Austrocknungs-Zustand.
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Die Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, den Wert eines Abstandsmaßes (z.B. der mittleren quadratischen Abweichung) für den Abstand und/oder für die Abweichung des Impedanz-Frequenzverlaufs von den einzelnen Referenz-Frequenzverläufen 331-335 zu ermitteln. Der Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 kann dann auf Basis der ermittelten Werte des Abstandsmaßes bestimmt werden. Insbesondere kann der Zustand ausgewählt werden, für den der niedrigste Wert des Abstandsmaßes ermittelt wurde. So kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 in zuverlässiger und präziser Weise ermittelt werden.
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Die Vorrichtung 103 kann ferner eingerichtet sein, das Brennstoffzellensystem 100 in Abhängigkeit von dem ermittelten Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 zu betreiben. Ggf. können dabei ein oder mehrere Maßnahmen bewirkt werden, die darauf ausgerichtet sind, den Brennstoffzellenstapel 102 in den Normalzustand zu überführen.
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1b zeigt eine beispielhafte Messanordnung zur Ermittlung des Impedanz-Frequenzverlaufs des Brennstoffzellenstapels 102. Der Gleichspannungswandler 120 kann dazu verwendet werden, einen AC (Alternating Current) Messstrom 131 in den Brennstoffzellenstapel 102 zu bewirken. Der AC-Messstrom 131 kann dabei mit dem DC (Direct Current) Strom des Brennstoffzellenstapels 102 überlagert werden. Der AC-Messstrom 131 kann eine bestimmte Frequenz 302 aufweisen.
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Es kann somit der Gleichspannungswandler 120 verwendet werden, um das Anregungssignal (d.h. den AC-Messstrom 131) zur Anregung des Brennstoffzellenstapels 102 zu generieren. Alternativ kann eine dedizierte Anregungseinheit bereitgestellt werden, um das Anregungssignal zu generieren.
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Des Weiteren kann die sich aufgrund des AC-Messstroms 131 an den Polen des Brennstoffzellenstapels 102 ergebende AC-Messspannung 132 erfasst werden (z.B. anhand einer Spannungs-Messeinheit). Dabei kann ein Hochpass-Filter verwendet werden, um die AC-Messspannung 132 in besonders präziser Weise zu erfassen. Die Impedanz der Brennstoffzelle 102 für die bestimmte Frequenz 302 kann auf Basis des AC-Messstroms 131 und auf Basis der AC-Messspannung 132 ermittelt werden (insbesondere auf Basis der Amplitude und der Phase des AC-Messstroms 131 und der AC-Messspannung 132).
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Es sei darauf hingewiesen, dass alternativ ein AC-Messspannung 132 an den Polen des Brennstoffzellenstapels 102 angelegt werden kann, und dass der sich daraus ergebene AC-Messstrom 131 erfasst werden kann, um die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 102 zu ermitteln. Allgemein kann ein AC-Anregungssignal (z.B. ein AC-Messstrom 131 oder eine AC-Messspannung 132) generiert werden, und es kann das durch das AC-Anregungssignal bewirkte AC-Messsignal (z.B. die AC-Messspannung 132 oder der AC-Messstrom 131) erfasst werden. Die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 102 kann dann auf Basis des AC-Anregungssignals und auf Basis des AC-Messsignals ermittelt werden.
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Zur Ermittlung des Impedanz-Frequenzverlaufs kann die Frequenz 302 des AC-Messstroms 131 bzw. der AC-Messspannung 132 entlang der Zeit 301 verändert werden, wie beispielhaft in 3a dargestellt. Die Frequenz 302 kann z.B. zwischen einer ersten (unteren) Frequenz 303 (z.B. bei 1Hz) und einer zweiten (oberen) Frequenz 304 (z.B. bei 2kHz) (in monoton steigender oder sinkender Weise) verändert werden. Ein Frequenzdurchlauf 311, 312, 313 von der ersten Frequenz 303 bis zu der zweiten Frequenz 304 kann eine bestimmte Gesamtdauer 305 (z.B. von 1 Sekunde oder weniger) aufweisen. Dabei kann die Frequenz 302 linear mit der Zeit 301 verändert, insbesondere erhöht oder reduziert, werden (siehe Frequenzdurchlauf 311). Alternativ kann die Frequenz 302 logarithmisch mit der Zeit 301 (siehe Frequenzdurchlauf 313) oder exponentiell mit der Zeit 301 (siehe Frequenzdurchlauf 312) verändert werden. Die einzelnen Frequenzdurchläufe 311, 312, 313 können jeweils N unterschiedliche Frequenzen 302 aufweisen, z.B. mit N=100 oder mehr, oder N=500 oder mehr. Der daraus ermittelte Impedanz-Frequenzverlauf kann N Impedanzwerte für die entsprechenden N Frequenzen 302 aufweisen.
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Die Frequenz 302 des AC-Messstroms 131 (oder alternativ der AC-Messspannung 132) kann somit gemäß einem vordefinierten Frequenzdurchlauf 311, 312, 313 verändert werden. Es kann die sich daraus ergebende AC-Messspannung 132 (oder alternativ der sich daraus ergebende AC-Messstrom 131) erfasst werden. Ferner kann auf Basis des AC-Messstroms 131 und auf Basis der AC-Messspannung 132 für den vordefinierten Frequenzdurchlauf 311, 312, 313 der Impedanz-Frequenzverlauf des Brennstoffzellenstapels 102 (für die N Frequenzen 302 aus dem vordefinierten Frequenzdurchlauf 311, 312, 313) ermittelt werden. So kann der Impedanz-Frequenzverlauf des Brennstoffzellenstapels 102 in besonders effizienter und schneller Weise ermittelt werden.
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Die Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, eine Menge von unterschiedlichen Impedanz-Frequenzverläufen für eine entsprechende Menge von unterschiedlichen Frequenzdurchläufen 311, 312, 313 zu ermitteln. Insbesondere kann jeweils ein Impedanz-Frequenzverlauf für einen linearen Frequenzdurchlauf 311, für einen logarithmischen Frequenzdurchlauf 312 und/oder für einen exponentiellen Frequenzdurchlauf 313 ermittelt werden. Der Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 kann dann in besonders präziser und zuverlässiger Weise auf Basis der Menge von unterschiedlichen Impedanz-Frequenzverläufen für die entsprechende Menge von unterschiedlichen Frequenzdurchläufen 311, 312, 313 ermittelt werden.
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Beispielsweise kann für die unterschiedlichen Frequenzdurchläufe 311, 312, 313 jeweils eine Menge von Frequenzdurchlaufs-spezifischen Referenz-Frequenzverläufen 331-335 ermittelt werden. Die einzelnen Frequenzdurchlaufs-spezifischen Impedanz-Frequenzverläufe können dann mit der jeweiligen Menge von Frequenzdurchlaufs-spezifischen Referenz-Frequenzverläufen 331-335 verglichen werden. Dabei können insbesondere Werte des Abstandsmaßes ermittelt werden. Der Zustand des Brennstoffzellenstapels 102 kann dann in besonders präziser und robuster Weise auf Basis der Vergleiche, insbesondere auf Basis der ermittelten Werte des Abstandsmaßes, ermittelt werden.
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Die einzelnen Frequenzdurchläufe 311, 312, 313 können jeweils eine Sequenz von N unterschiedlichen Frequenzen 302 aufweisen, z.B. mit N gleich 100 oder mehr, oder N gleich 500 oder mehr. Es können somit Impedanz-Frequenzverläufe mit einer relativ hohen Frequenz-Auflösung (mit Impedanzwerten für N unterschiedliche Frequenzen 302 zwischen der ersten Frequenz 303 und der zweiten Frequenz 304) ermittelt werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computerimplementierten) Verfahrens 400 zur Ermittlung des Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers 102 (insbesondere eines Brennstoffzellenstapels). Das Verfahren 400 umfasst das Bewirken 401 eines AC-Anregungssignals 131 (z.B. eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung) an dem Energiewandler 102. Die Frequenz 302 des AC-Anregungssignals 131 verändert sich dabei gemäß einem Frequenzdurchlauf 311, 312, 313 (d.h. gemäß einem Frequency-Sweep). Das AC-Anregungssignal 131 kann z.B. anhand eines Spannungswandlers 120 generiert werden.
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Das Verfahren 400 umfasst ferner das Erfassen 402 eines durch das AC-Anregungssignal 131 bewirkten AC-Messsignals 132 (z.B. einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms) an dem Energiewandler 102. Das AC-Messsignal 132 kann durch eine Messeinheit erfasst werden.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das Ermitteln 403, auf Basis des AC-Anregungssignals 131 und auf Basis des AC-Messsignals 132 (insbesondere auf Basis der jeweiligen Amplitude und/oder Phase), eines Impedanz-Frequenzverlaufs für den Energiewandler 102. Der Impedanz-Frequenzverlauf zeigt dabei die Impedanz des Energiewandlers 102 für die N Frequenzen 302 des Frequenzdurchlaufs 311, 312, 313 an.
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Außerdem umfasst das Verfahren 400 das Ermitteln 404 des Zustands des Energiewandlers 102 auf Basis des Impedanz-Frequenzverlaufs.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann der Zustand eines Brennstoffzellenstapels 102 in besonders effizienter, schneller und zuverlässiger Weise ermittelt werden, insbesondere um eine Beeinträchtigung des Brennstoffzellenstapels 102 zu vermeiden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellensystem
- 101
- Brennstoffzelle
- 102
- Brennstoffzellenstapel
- 103
- (Steuer-) Vorrichtung
- 110
- Druckbehälter
- 112
- Brennstoffleitung
- 120
- Gleichspannungswandler
- 121
- elektrischer Energiespeicher
- 131
- AC-Anregungssignal (z.B. AC-Messstrom oder AC-Messspannung)
- 132
- AC-Messsignal (z.B. AC-Messspannung oder AC-Messstrom)
- 201
- Anode
- 202
- Kathode
- 203
- Separator
- 204
- Kontaktteil (Elektrode)
- 205
- Oxidationsmittelförderer (Kompressor)
- 211
- Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)
- 212
- Oxidationsmittel (insbesondere Luft)
- 301
- Zeit
- 302
- Frequenz
- 303
- erste (untere) Frequenz
- 304
- zweite (obere) Frequenz
- 305
- Zeitdauer (eines Frequenzdurchlaufs)
- 311-313
- Frequenzdurchlauf (Frequency bzw. Frequenz Sweep)
- 321
- Realteil (Impedanz)
- 322
- Imaginärteil (Impedanz)
- 331-335
- Referenz-Frequenzverlauf
- 400
- Verfahren zur Ermittlung des Zustands eines Brennstoffzellenstapel s
- 401-404
- Verfahrensschritte