DE102022134409A1 - Method and device for determining the state of an energy converter - Google Patents
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (103) zur Ermittlung des Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers (102). Die Vorrichtung (103) ist eingerichtet, ein AC-Anregungssignal (131) an dem Energiewandler (102) zu bewirken, wobei eine Frequenz (302) des AC-Anregungssignals (131) gemäß einem Frequenzdurchlauf (311, 312, 313) verändert wird. Die Vorrichtung (103) ist ferner eingerichtet, ein durch das AC-Anregungssignal (131) bewirktes AC-Messsignal (132) an dem Energiewandler (102) zu erfassen. Außerdem ist die Vorrichtung (103) eingerichtet, auf Basis des AC-Anregungssignals (131) und auf Basis des AC-Messsignals (132) einen Impedanz-Frequenzverlauf für den Energiewandler (102) zu ermitteln, und den Zustand des Energiewandlers (102) auf Basis des Impedanz-Frequenzverlaufs zu ermitteln.The technology disclosed here relates according to the invention to a device (103) for determining the state of an electrochemical energy converter (102). The device (103) is designed to cause an AC excitation signal (131) at the energy converter (102), wherein a frequency (302) of the AC excitation signal (131) is changed according to a frequency sweep (311, 312, 313). The device (103) is further designed to detect an AC measurement signal (132) caused by the AC excitation signal (131) at the energy converter (102). In addition, the device (103) is configured to determine an impedance-frequency curve for the energy converter (102) on the basis of the AC excitation signal (131) and on the basis of the AC measurement signal (132), and to determine the state of the energy converter (102) on the basis of the impedance-frequency curve.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Ermittlung des Zustands eines elektrochemischen Energiewandlers, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels.The technology disclosed here relates to a method and a corresponding device for determining the state of an electrochemical energy converter, in particular a fuel cell stack.
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.An electrically powered vehicle can have a fuel cell system with a fuel cell stack with one or more fuel cells, wherein the fuel cell stack is designed to generate electrical energy for operating the electric drive motor of the vehicle based on a fuel, in particular based on hydrogen (H 2 ). The fuel for the fuel cell stack is typically fed from a pressure vessel to the fuel cell stack.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kann der Brennstoffzellenstapel Zustände annehmen, die zu einer Beeinträchtigung, insbesondere zu einer Schädigung, des Brennstoffzellenstapels führen können.During operation of the fuel cell system, the fuel cell stack may assume conditions that may lead to impairment, in particular damage, of the fuel cell stack.
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.It is a preferred object of the technology disclosed here to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. It is a preferred object of the technology disclosed here to determine the state of a fuel cell stack, generally an electrochemical energy converter, in an efficient, reliable, fast and precise manner, in particular to avoid deterioration of the fuel cell stack.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.The problem(s) is/are solved by the subject matter of the independent patent claims. The dependent claims represent preferred embodiments.
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.
- • a normal state in which the energy converter has, for example, a sufficient amount of fuel, oxidant and/or reaction products;
- • a fuel starvation condition in which the energy converter, for example, has an insufficient amount of fuel;
- • an oxidant deficiency condition, where the energy converter, for example, has an insufficient amount of oxidant;
- • a flooding condition in which an excessive amount of reaction products (in particular water) is present in the energy converter; and/or
- • a drying-out condition in which, for example, an insufficient amount of reaction products is present in the energy converter.
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.The device is designed to cause an AC (alternating current) excitation signal at the energy converter. The frequency of the AC excitation signal can be changed according to a frequency sweep. The frequency sweep can, for example, have a total duration of one second or less (e.g. 500 ms). Alternatively or additionally, the frequency sweep can have N different frequencies, e.g. with N equal to 100 or more, or N equal to 500 or more. A frequency sweep can also be referred to as a frequency sweep. Furthermore, a frequency sweep can extend from a first frequency (e.g. 5 Hz or less) to a second frequency (e.g. 1 kHz or more). The AC excitation signal can optionally be caused by a DC voltage converter.
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.Furthermore, the device is configured to detect an AC measurement signal caused by the AC excitation signal at the energy converter (wherein the AC measurement signal typically has the frequencies from the frequency sweep). The AC excitation signal can comprise an AC measurement current (also referred to as alternating measurement current) and the AC measurement signal can comprise an AC measurement voltage (also referred to as alternating measurement voltage). Alternatively, the AC excitation signal can comprise an AC measurement voltage and the AC measurement signal can comprise an AC measurement current. The AC measurement signal can be detected using a high-pass filter.
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.The device is further configured to determine an impedance frequency curve for the energy converter based on the AC excitation signal and on the AC measurement signal (in particular based on the amplitudes and phases of the respective signals). The impedance frequency curve has an impedance value for each of the different frequencies from the frequency sweep.
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.In addition, the device is designed to determine the state of the energy converter on the basis of the impedance-frequency curve. The energy converter can then be operated depending on the determined state, in particular with the aim of returning the energy converter to the normal state.
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).A device is thus described which makes it possible to determine the state of an energy converter in an efficient, rapid and precise manner, in particular in order to avoid impairment of the energy converter (by means of a correspondingly adapted operation of the energy converter). For this purpose, the impedance frequency curve and the state of the energy converter can be determined repeatedly, in particular periodically (eg with a frequency of 0.1 Hz or more).
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.The device can be configured to change the frequency sweep of the AC excitation signal, in particular with respect to how the frequency of the AC excitation signal changes over time. For example, a linear, a logarithmic or an exponential change in the frequency can be brought about within the frequency sweep.
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.A modified impedance-frequency curve for the energy converter can then be determined using the modified frequency sweep. Furthermore, the state of the energy converter can be determined, in particular adjusted, on the basis of the modified impedance-frequency curve.
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.For example, using a first frequency sweep, a first impedance frequency curve can be determined and, based on this, the (provisional) state of the energy converter can be determined. The frequency sweep can then be changed (taking the determined state into account), and a changed impedance frequency curve can be determined using the changed frequency sweep in order to determine the state of the energy converter with increased accuracy based on this.
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.
- • a linear frequency sweep in which the frequency is changed, in particular increased or reduced, linearly over time from the first frequency to the second frequency (monotonically increasing or decreasing);
- • an exponential frequency sweep in which the frequency is changed, in particular increased or reduced, exponentially over time from the first frequency to the second frequency (monotonically increasing or decreasing); and/or
- • a logarithmic frequency sweep in which the frequency is changed, in particular increased or reduced, logarithmically over time from the first frequency to the second frequency (monotonically increasing or decreasing).
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.The impedance-frequency curve for the energy converter (which is used to determine the state of the energy converter) can be determined using the selected frequency sweep. This can further increase the accuracy of the state determination.
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.The device can be set up to determine a frequency-pass-specific impedance frequency curve from the set of frequency passes (which has, for example, two or more, or three or more different frequency passes) using the individual frequency passes. A set of frequency-pass-specific impedance frequency curves can thus be determined for the corresponding set of different frequency passes.
Der Zustand des Energiewandlers kann dann in besonders präziser Weise auf Basis der Menge von Frequenzdurchlauf-spezifischen Impedanz-Frequenzverläufen ermittelt werden.The state of the energy converter can then be determined in a particularly precise manner based on the set of frequency sweep-specific impedance-frequency curves.
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.The device can be set up to select the state of the energy converter from a set of different possible states of the energy converter based on at least one determined impedance-frequency curve. The set of possible states can include, for example, two or more, or three or more, or four or more states. By selecting a possible state, the accuracy of the state determination can be further increased.
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.The device can be set up to compare the determined impedance frequency curve with a set of (pre-determined) reference frequency curves for the corresponding set of different possible states of the energy converter. The state of the energy converter can then be selected from the set of different possible states of the energy converter based on the comparison.
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).In particular, for the individual reference frequency curves from the set of reference frequency curves, the value of a distance measure (e.g. the mean square distance) for the distance of the determined impedance frequency curve with the respective reference frequency curve can be determined. The state The energy converter can then be selected in a particularly precise and robust manner based on the determined values of the distance measure from the set of different possible states of the energy converter (e.g. as the possible state with the lowest value of the distance measure).
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.The device can be set up to compare the individual frequency sweep-specific impedance frequency curves with a set of frequency sweep-specific reference frequency curves for the corresponding set of different possible states of the energy converter. A set of frequency sweep-specific reference frequency curves can thus be provided for the different frequency sweeps.
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.The state of the energy converter can then be selected in a particularly precise manner based on the comparisons from the set of different possible states of the energy converter. For this purpose, as described above, values of the distance measure can be determined and compared with each other.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.According to another aspect, a fuel cell system is described which includes the device described in this document.
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.According to a further aspect, a (road) motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the device described in this document and/or the fuel cell system described in this document.
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.According to a further aspect, a method for determining the state of an electrochemical energy converter is described. The method comprises causing an AC excitation signal to the energy converter, wherein the frequency of the AC excitation signal is changed according to a frequency sweep. The method further comprises detecting an AC measurement signal caused by the AC excitation signal to the energy converter. The method further comprises determining, on the basis of the AC excitation signal and on the basis of the AC measurement signal, an impedance frequency curve for the energy converter, and determining the state of the energy converter on the basis of the impedance frequency curve.
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.According to a further aspect, a software (SW) program is described. The SW program can be configured to be executed on a processor (e.g. on a control unit of a vehicle) and thereby to carry out the method described in this document.
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.According to a further aspect, a storage medium is described. The storage medium can comprise a software program which is designed to be executed on a processor and thereby to carry out the method described in this document.
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.It should be noted that the methods, devices and systems described in this document can be used alone or in combination with other methods, devices and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the methods, devices and systems described in this document can be combined with one another in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined with one another in a variety of ways. Furthermore, features listed in brackets are to be understood as optional features.
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.
-
1a an exemplary fuel cell system with a fuel cell stack; -
1b an exemplary measuring arrangement for determining the impedance-frequency curve of the impedance of a fuel cell stack; -
2 an exemplary fuel cell; -
3a Example frequency sweeps to determine the impedance-frequency response for a fuel cell stack; -
3b exemplary reference frequency curves; and -
4 a flowchart of an exemplary method for determining the condition of a fuel cell stack.
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.As stated at the beginning, this document deals with the efficient, fast and reliable determination of the state of an energy converter, in particular a fuel cell stack. The following will specifically address a fuel cell stack (as an example of an energy converter). It should be noted that the aspects described are generally applicable to an (electrochemical) energy converter.
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.In addition to the at least one
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.The
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.The
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.The separator plates can be designed as monopolar plates and/or as bipolar plates. In other words, a separator plate expediently has two sides, one side forming the
Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.Between the ion-
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.The electrical current generated by the
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 anBrennstoff 211 und Oxidationsmittel 212 versorgt ist, und bei dem eine passende Menge an Reaktionsprodukten (insbesondere Wasser) indem Brennstoffzellenstapel 102 vorliegt; - • ein Brennstoff-Mangelzustand, bei
dem der Brennstoffzellenstapel 102 mit einer unzureichenden Menge anBrennstoff 211 versorgt wird; - • ein Oxidationsmittel-Mangelzustand, bei
dem der Brennstoffzellenstapel 102 mit einer unzureichenden Menge anOxidationsmittel 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.
- • a normal state in which the
fuel cell stack 102 is supplied with an appropriate amount offuel 211 andoxidant 212, and in which an appropriate amount of reaction products (in particular water) is present in thefuel cell stack 102; - • a fuel starvation condition in which the
fuel cell stack 102 is supplied with an insufficient amount offuel 211; - • an oxidant deficiency condition in which the
fuel cell stack 102 is operating at an insufficient sufficient amount of oxidizingagent 212; - • a flooding condition in which the
fuel cell stack 102 has an excessive amount of reaction products (particularly water); and/or - • a dry-out condition in which the
fuel cell stack 102 has an insufficient amount of reaction products (particularly water).
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.The measures described in this document make it possible to determine the state of the fuel cell stack 102 (from a predefined set of different possible states) in an efficient, fast and reliable manner.
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
- • 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.
- • a first
reference frequency curve 331 for the normal state; - • a second
reference frequency curve 332 for the flooding condition; - • a third
reference frequency curve 333 for the fuel shortage condition; - • a fourth
reference frequency curve 334 for the oxidant deficiency state; and - • a fifth
reference frequency curve 335 for the drying state.
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.The
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.The
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.Thus, the DC-
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).Furthermore, the
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.It should be noted that alternatively, an
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
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.The
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.The
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.For example, a set of frequency sweep-specific reference frequency curves 331-335 can be determined for each of the different frequency sweeps 311, 312, 313. The individual frequency sweep-specific impedance frequency curves can then be compared with the respective set of frequency sweep-specific reference frequency curves 331-335. In particular, values of the distance measure can be determined in this process. The state of the
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.The individual frequency sweeps 311, 312, 313 can each have a sequence of N
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.The
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.Furthermore, the
Außerdem umfasst das Verfahren 400 das Ermitteln 404 des Zustands des Energiewandlers 102 auf Basis des Impedanz-Frequenzverlaufs.In addition, the
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.By means of the measures described in this document, the state of a
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.The present invention is not limited to the embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are intended only to illustrate the principle of the proposed methods, devices and systems by way of example.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- BrennstoffzellensystemFuel cell system
- 101101
- BrennstoffzelleFuel cell
- 102102
- BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
- 103103
- (Steuer-) Vorrichtung(Control) device
- 110110
- Druckbehälterpressure vessel
- 112112
- BrennstoffleitungFuel line
- 120120
- GleichspannungswandlerDC-DC converter
- 121121
- elektrischer Energiespeicherelectrical energy storage
- 131131
- AC-Anregungssignal (z.B. AC-Messstrom oder AC-Messspannung)AC excitation signal (e.g. AC measuring current or AC measuring voltage)
- 132132
- AC-Messsignal (z.B. AC-Messspannung oder AC-Messstrom)AC measuring signal (e.g. AC measuring voltage or AC measuring current)
- 201201
- Anodeanode
- 202202
- Kathodecathode
- 203203
- Separatorseparator
- 204204
- Kontaktteil (Elektrode)Contact part (electrode)
- 205205
- Oxidationsmittelförderer (Kompressor)Oxidant conveyor (compressor)
- 211211
- Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)Fuel (especially hydrogen)
- 212212
- Oxidationsmittel (insbesondere Luft)Oxidizing agents (especially air)
- 301301
- ZeitTime
- 302302
- Frequenzfrequency
- 303303
- erste (untere) Frequenzfirst (lower) frequency
- 304304
- zweite (obere) Frequenzsecond (upper) frequency
- 305305
- Zeitdauer (eines Frequenzdurchlaufs)Duration (of a frequency sweep)
- 311-313311-313
- Frequenzdurchlauf (Frequency bzw. Frequenz Sweep)Frequency sweep
- 321321
- Realteil (Impedanz)Real part (impedance)
- 322322
- Imaginärteil (Impedanz)Imaginary part (impedance)
- 331-335331-335
- Referenz-FrequenzverlaufReference frequency response
- 400400
- Verfahren zur Ermittlung des Zustands eines Brennstoffzellenstapel sMethod for determining the condition of a fuel cell stack
- 401-404401-404
- VerfahrensschritteProcess steps
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022134409.6A DE102022134409A1 (en) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Method and device for determining the state of an energy converter |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102022134409.6A DE102022134409A1 (en) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Method and device for determining the state of an energy converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE102022134409A1 true DE102022134409A1 (en) | 2024-06-27 |
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ID=91434711
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|---|---|---|---|
| DE102022134409.6A Pending DE102022134409A1 (en) | 2022-12-21 | 2022-12-21 | Method and device for determining the state of an energy converter |
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|---|---|
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2488564A1 (en) * | 2004-11-29 | 2006-05-29 | Hydrogenics Corporation | Methods and apparatus for indicating a fault condition in electrochemical cells and components |
| US20120105075A1 (en) * | 2009-02-24 | 2012-05-03 | Helion | Method for characterizing an electrical system by impedance spectroscopy |
| US20220246962A1 (en) * | 2015-09-14 | 2022-08-04 | Bloom Energy Corporation | Electrochemical impedance spectroscopy ("eis") analyzer and method of using thereof |
-
2022
- 2022-12-21 DE DE102022134409.6A patent/DE102022134409A1/en active Pending
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