DE102023212008A1

DE102023212008A1 - Method and control device for operating a fuel cell system and fuel cell system

Info

Publication number: DE102023212008A1
Application number: DE102023212008.9A
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-11-30
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2025-06-05
Also published as: WO2025113950A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), wobei das Brennstoffzellensystem (100) eine Mehrzahl von als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ausgeführten Brennstoffzellenmodulen (120) aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ermittelns eines Alterungszustandes (153) der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen (120). Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Einstellens eines aktuellen Soll-Systemdrucks des Brennstoffzellensystems (100) abhängig von dem Alterungszustand (153), um einen eingestellten Soll-Systemdruck (155) zu generieren. Das Verfahren umfasst auch einen Schritt des Ansteuerns mindestens einer Betriebseinrichtung (130, 140) des Brennstoffzellensystems (100) unter Verwendung des eingestellten Soll-Systemdrucks (155), um das Brennstoffzellensystem (100) zu betreiben.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (100), wherein the fuel cell system (100) has a plurality of fuel cell modules (120) designed as proton exchange membrane fuel cells. The method comprises a step of determining an aging state (153) of the plurality of fuel cell modules (120). Furthermore, the method comprises a step of setting a current target system pressure of the fuel cell system (100) as a function of the aging state (153) in order to generate a set target system pressure (155). The method also comprises a step of controlling at least one operating device (130, 140) of the fuel cell system (100) using the set target system pressure (155) in order to operate the fuel cell system (100).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.The present invention relates to a method, to a corresponding control device and to a corresponding computer program product.

Ein PEM-Brennstoffzellensystem (PEM = Proton Exchange Membrane; Protonenaustauschmembran) bzw. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem bzw. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellen-Stack bzw. viele Einzelzellen, die beispielsweise gestapelt und von einem Spannsystem zusammengehalten sein können. Jede Einzelzelle kann eine Membran aufweisen, welche die Medien auf der Anodenseite und der Kathodenseite voneinander trennt. Die Mehrzahl von Einzelzellen bzw. der Stack altert über die Lebensdauer, wobei mehrere Alterungseffekte auftreten können. Die Alterungseffekte können zu einer reduzierten Stack-Performance bzw. reduzierten Leistungsfähigkeit des Stack führen. Hierbei kann sich eine Kennlinie bzw. Polkurve des Stacks verschlechtert - bei gleichem elektrischen Strom kann die Zellspannung und damit der Wirkungsgrad sinken.A PEM fuel cell system (PEM = Proton Exchange Membrane) or proton exchange membrane fuel cell system or polymer electrolyte fuel cell system comprises a fuel cell stack or many individual cells, which may, for example, be stacked and held together by a clamping system. Each individual cell may have a membrane that separates the media on the anode and cathode sides. The majority of individual cells or the stack age over their lifetime, and several aging effects can occur. These aging effects can lead to reduced stack performance or reduced efficiency of the stack. In this case, a characteristic curve or pole curve of the stack can deteriorate - at the same electrical current, the cell voltage and thus the efficiency can decrease.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the approach presented here presents a method, a control unit that uses this method, and finally a corresponding computer program product according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Gemäß Ausführungsformen kann vorteilhafterweise insbesondere eine Optimierung der Systemleistung eines Brennstoffzellensystems über dessen Lebensdauer realisiert werden. Anders ausgedrückt kann beispielsweise eine Betriebsstrategie umgesetzt werden, welche die Stack-Alterung berücksichtigt und die Nettosystemleistung über die Lebensdauer optimiert. Hierbei kann insbesondere der Soll-Systemdruck wird über die Lebensdauer angepasst werden, um eine zunehmende Degradation des Stacks zu berücksichtigen. Dazu kann der geschätzte oder gemessene Stack-Alterungszustand bzw. Stack-SOH (Stack-State of Health; Alterungszustand) zur Bestimmung des optimalen Systemdrucks herangezogen werden. Somit kann beispielsweise eine Nettosystemleistung in Summe über die Lebensdauer erhöht werden. Ferner können insbesondere ein Wasserstoffverbrauch reduziert, die Gesamtkosten (TCO, total cost of ownership) über die Lebensdauer gesenkt und die Leistungsfähigkeit bzw. Performance verbessert werden.According to embodiments, in particular, an optimization of the system performance of a fuel cell system over its lifetime can be advantageously realized. In other words, for example, an operating strategy can be implemented which takes stack aging into account and optimizes the net system performance over the lifetime. In particular, the target system pressure can be adjusted over the lifetime to account for increasing degradation of the stack. For this purpose, the estimated or measured stack aging state or stack SOH (stack state of health) can be used to determine the optimal system pressure. Thus, for example, a net system performance can be increased overall over the lifetime. Furthermore, in particular, hydrogen consumption can be reduced, the total costs (TCO, total cost of ownership) can be lowered over the lifetime, and the efficiency or performance can be improved.

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgestellt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ausgeführten Brennstoffzellenmodulen aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Ermitteln eines Alterungszustandes der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen;
Einstellen eines aktuellen Soll-Systemdrucks des Brennstoffzellensystems abhängig von dem Alterungszustand, um einen eingestellten Soll-Systemdruck zu generieren; und
Ansteuern mindestens einer Betriebseinrichtung des Brennstoffzellensystems unter Verwendung des eingestellten Soll-Systemdrucks, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben.

A method for operating a fuel cell system is presented, wherein the fuel cell system comprises a plurality of fuel cell modules designed as proton exchange membrane fuel cells, the method comprising the following steps:

Determining an aging state of the plurality of fuel cell modules;
Setting a current target system pressure of the fuel cell system depending on the aging condition in order to generate a set target system pressure; and
Controlling at least one operating device of the fuel cell system using the set target system pressure in order to operate the fuel cell system.

Eine Mehrzahl von als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ausgeführte Brennstoffzellenmodule können auch als Brennstoffzellen-Stack oder, genauer gesagt, PEM-Brennstoffzellenstack (PEM = Proton Exchange Membrane; Protonenaustauschmembran) bzw. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstack bzw. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstack bezeichnet werden. Solche Brennstoffzellen-Stacks umfassen viele einzelne Brennstoffzellenmodule bzw. Einzelzellen, die gestapelt sein können und beispielsweise von einem Spannsystem zusammengehalten sein können. Jede Einzelzelle kann eine Membran beinhalten, welche die Medien auf der Anodenseite und der Kathodenseite voneinander trennt. Zwischen den Einzelzellen bzw. Brennstoffzellenmodulen können sogenannte Bipolarplatten angeordnet sein, in denen Kühlwasser fließen kann, um Verlustwärme der chemischen Reaktion abzuführen. Der Alterungszustand kann auch als sogenannter State-of-Health (SoH) bezeichnet werden. Der Alterungszustand bezieht sich auf die Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen und kann auch als Stack-SoH bezeichnet werden. Im Schritt des Ermittelns kann der aktuelle Alterungszustand mit einem Referenzzustand verglichen werden. Schritte des Verfahrens können wiederholt und zusätzlich oder alternativ kontinuierlich über die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems ausgeführt werden. Bei der mindestens einen Betriebseinrichtung kann es sich um mindestens ein Stellglied des Brennstoffzellensystems handeln.A plurality of fuel cell modules designed as proton exchange membrane fuel cells can also be referred to as a fuel cell stack or, more precisely, a PEM fuel cell stack (PEM = Proton Exchange Membrane), a proton exchange membrane fuel cell stack, or a polymer electrolyte fuel cell stack. Such fuel cell stacks comprise many individual fuel cell modules or single cells, which can be stacked and held together, for example, by a clamping system. Each individual cell can contain a membrane that separates the media on the anode and cathode sides. So-called bipolar plates can be arranged between the individual cells or fuel cell modules, through which cooling water can flow to dissipate heat loss from the chemical reaction. The aging state can also be referred to as the so-called state of health (SoH). The aging state refers to the majority of fuel cell modules and can also be referred to as the stack SoH. In the determining step, the current aging state can be compared with a reference state. Steps of the method can be repeated and additionally or alternatively performed continuously over the service life of the fuel cell system. The at least one operating device can be at least one actuator of the fuel cell system.

Dabei kann im Schritt des Einstellens der eingestellte Soll-Systemdruck bei gleichem Lastzustand des Brennstoffzellensystems gleich dem oder größer als der Soll-Systemdruck im Neuzustand der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen sein. Der aktuelle Soll-Druck kann im Vergleich zum Neuzustand bei einem gleichen Lastzustand des Systems höher gewählt werden, um den Einfluss des Alterungszustands auf die nutzbare Systemleistung zu reduzieren. Somit kann bei einer Verschlechterung des Alterungszustandes der Soll-Systemdruck erhöht werden, um auch bei einer Degradation der Brennstoffzellenmodule über deren Lebensdauer hinweg die Systemleistung zu maximieren.In the adjustment step, the set target system pressure can be equal to or greater than the target system pressure in the new state of the majority of fuel cell modules at the same load condition of the fuel cell system. The current target pressure can be compared to the new state at A higher pressure can be selected for a system with the same load condition to reduce the influence of the aging condition on the usable system performance. Thus, if the aging condition worsens, the target system pressure can be increased to maximize system performance even if the fuel cell modules degrade over their service life.

Auch kann im Schritt des Ermittelns der Alterungszustand unter Verwendung eines Schätzverfahrens geschätzt oder unter Verwendung eines Bestimmungsverfahrens gemessen werden. Ein Beispiel für ein solches Bestimmungsverfahren ist beispielsweise das sogenannte GCM (Galvanostatic Charging Method). Somit kann je nach Gegebenheiten der Alterungszustand auf geeignete Weise mit der konkret nötigen Genauigkeit ermittelt werden.In the determination step, the aging state can also be estimated using an estimation method or measured using a determination method. An example of such a determination method is the so-called GCM (Galvanostatic Charging Method). This allows the aging state to be determined in a suitable manner with the specific accuracy required, depending on the circumstances.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ansteuerns eine anodenseitige Betriebseinrichtung angesteuert werden, um abhängig von dem eingestellten Soll-Systemdruck einen anodenseitigen Druck zu regulieren. Der anodenseitige Druck kann ein Anodeneinlassdruck sein. Die anodenseitige Betriebseinrichtung kann ein Wasserstoffdosierventil aufweisen. Auf diese Weise können vor allem die anodenseitigen Degradationsauswirkungen des Stacks minimiert werden, um die Performance des Systems über die Lebensdauer zu optimieren. Eine solche anodenseitige Druckeinstellung ist für die meisten Brennstoffzellensysteme einfach realisierbar.According to one embodiment, an anode-side operating device can be controlled in the control step to regulate an anode-side pressure depending on the set target system pressure. The anode-side pressure can be an anode inlet pressure. The anode-side operating device can have a hydrogen metering valve. In this way, the anode-side degradation effects of the stack can be minimized, in order to optimize the system's performance over its lifetime. Such anode-side pressure adjustment is easily implemented for most fuel cell systems.

Auch kann im Schritt des Ansteuerns eine kathodenseitige Betriebseinrichtung angesteuert werden, um abhängig von dem eingestellten Soll-Systemdruck einen kathodenseitigen Druck zu regulieren. Der kathodenseitige Druck kann ein Kathodeneinlassdruck sein. Die kathodenseitige Betriebseinrichtung kann mindestens einen Verdichter aufweisen. So können vor allem die kathodenseitigen Degradationsauswirkungen des Stacks minimiert werden, um die Performance des Systems über die Lebensdauer zu optimieren. Eine solche kathodenseitige Druckeinstellung ist bei Vorhandensein mindestens eines Luftverdichters ohne weiteres realisierbar.In the control step, a cathode-side operating device can also be controlled to regulate a cathode-side pressure depending on the set target system pressure. The cathode-side pressure can be a cathode inlet pressure. The cathode-side operating device can have at least one compressor. This allows, above all, the cathode-side degradation effects of the stack to be minimized in order to optimize the system's performance over its lifetime. Such a cathode-side pressure adjustment is readily feasible if at least one air compressor is present.

Ferner kann im Schritt des Ermittelns mindestens eine Beitragsgröße ermittelt werden, die zu einer Änderung des Alterungszustands beiträgt. Hierbei kann im Schritt des Einstellens der eingestellte Soll-Systemdruck abhängig davon generiert werden, ob die mindestens eine Beitragsgröße durch Einstellen des Soll-Systemdrucks, eines anodenseitigen Drucks und zusätzlich oder alternativ eines kathodenseitigen Drucks beeinflussbar ist. Auf diese Weise kann eine besonders die gerichtete und genaue Druckeinstellung vorgenommen werden, um der Degradation effektiv entgegenzuwirken.Furthermore, in the determining step, at least one contribution variable can be determined that contributes to a change in the aging state. In this case, in the adjusting step, the set target system pressure can be generated depending on whether the at least one contribution variable can be influenced by adjusting the target system pressure, an anode-side pressure, and additionally or alternatively a cathode-side pressure. In this way, a particularly targeted and precise pressure adjustment can be performed to effectively counteract the degradation.

Dabei kann die mindestens eine Beitragsgröße einen anodenseitigen Massentransportwiderstand, einen kathodenseitigen Massentransportwiderstand, einen anodenseitigen Verlust an elektrochemisch aktiver Oberfläche, einen kathodenseitigen Verlust an elektrochemisch aktiver Oberfläche und zusätzlich oder alternativ eine Protonenleitfähigkeit aufweisen. Der Massentransportwiderstand kann auch als Stoffübergangswiderstand bezeichnet werden. Somit können jeweils relevante Beitragsgrößen berücksichtigt werden. The at least one contribution can include an anode-side mass transport resistance, a cathode-side mass transport resistance, an anode-side loss of electrochemically active surface area, a cathode-side loss of electrochemically active surface area, and additionally or alternatively, a proton conductivity. The mass transport resistance can also be referred to as mass transfer resistance. Thus, relevant contribution variables can be considered in each case.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here further provides a control unit configured to perform or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment of the invention in the form of a control unit also allows the problem underlying the invention to be solved quickly and efficiently.

Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In this case, a control unit can be understood as an electrical device that processes sensor signals and outputs control and/or data signals depending on them. The control unit can have an interface that can be implemented in hardware and/or software. In a hardware implementation, the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the control unit. However, it is also possible for the interfaces to be separate integrated circuits or to consist at least partially of discrete components. In a software implementation, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.

Es wird auch ein Brennstoffzellensystem vorgestellt, das folgende Merkmale aufweist:

eine Mehrzahl von als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ausgeführte Brennstoffzellenmodule;
mindestens eine Betriebseinrichtung; und
eine Ausführungsform eines hierin genannten Steuergerätes, wobei das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen und der mindestens einen Betriebseinrichtung verbunden ist.

A fuel cell system is also presented which has the following features:

a plurality of fuel cell modules designed as proton exchange membrane fuel cells;
at least one operating facility; and
an embodiment of a control unit mentioned herein, wherein the control unit is connected to the plurality of fuel cell modules and the at least one operating device in a signal-transmitting manner.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also advantageous is a computer program product with program code that can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out tion of the method according to one of the embodiments described above when the program product is executed on a computer or device.

Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems;
2 ein Ablaufschema hinsichtlich des Generierens eines eingestellten Soll-Systemdrucks durch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts eines Brennstoffzellensystems;
3 ein Ablaufschema hinsichtlich des Generierens eines eingestellten Soll-Systemdrucks unter Berücksichtigung kathodenseitiger Beitragsgrößen durch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts eines Brennstoffzellensystems;
4 ein Ablaufschema hinsichtlich des Generierens eines eingestellten Soll-Systemdrucks unter Berücksichtigung anodenseitiger Beitragsgrößen durch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts eines Brennstoffzellensystems; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

The approach presented here is explained in more detail below using the attached drawings. They show:

1 a schematic representation of an embodiment of a fuel cell system;
2 a flow chart regarding the generation of a set target system pressure by an embodiment of a control unit of a fuel cell system;
3 a flow chart regarding the generation of a set target system pressure taking into account cathode-side contribution variables by an embodiment of a control unit of a fuel cell system;
4 a flow chart regarding the generation of a set target system pressure taking into account anode-side contribution variables by an embodiment of a control unit of a fuel cell system; and
5 a flowchart of an embodiment of a method for operating a fuel cell system.

Bevor nachfolgend günstige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, sollen zunächst Hintergründe und Grundlagen von Ausführungsbeispielen kurz erläutert werden.Before advantageous embodiments of the present invention are described below, the background and principles of embodiments will first be briefly explained.

Ein Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem bzw. PEM-Brennstoffzellensystem bzw. PEMFCS (PEM = Proton Exchange Membrane, Protonenaustauschmembran; FCS = Fuel Cell System) bzw. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem umfasst eine Mehrzahl von Einzelzellen, die in einem sogenannten Stack angeordnet sind. Ein solcher Stack altert über die Lebensdauer, wobei mehrere Alterungseffekte auftreten können. Die Alterungseffekte können zu einer reduzierten Stack-Performance führen, d. h. die Kennlinie bzw. Polkurve des Stacks kann sich verschlechtern, wobei anders ausgedrückt bei gleichem elektrischen Strom die Zellspannung sinken und damit der Wirkungsgrad reduziert sein kann. Bei Erreichen eines bestimmten alterungsbedingten Leistungsverlustes, z. B. 10 % oder 20 % vom Start bzw. Begin of Life (BoL), ist die Lebensdauergrenze (End of Life, EoL) des Stacks oder Systems erreicht. Es kann dabei unterschieden werden zwischen Lifetime Stack bzw. Degradation der Stackleistung und Lifetime PEMFCS bzw. Degradation der Netto-Systemleistung. Die Nettosystemleistung P_SysNet ist definiert als Stackleistung P_Stack abzüglich der Nebenaggregateleistungen des PEMFCS, wie beispielsweise Verdichter, Pumpe, Gebläse, Heizer, etc. Aufgrund des dominierenden Leistungsbedarfs des Verdichters (EAC = Electrical Air Compressor; elektrischer Luftverdichter) im Luftsystem wird P_SysNet häufig vereinfacht zu PSysNet ≊ P_Stack-P_EAC.A proton exchange membrane fuel cell system, also known as a PEM fuel cell system (PEM = Proton Exchange Membrane; FCS = Fuel Cell System), or polymer electrolyte fuel cell system, comprises a plurality of individual cells arranged in a so-called stack. Such a stack ages over its lifetime, and several aging effects can occur. These aging effects can lead to reduced stack performance, i.e., the characteristic curve or pole curve of the stack can deteriorate. In other words, the cell voltage can drop for the same electrical current, and thus the efficiency can be reduced. When a certain aging-related power loss is reached, e.g., 10% or 20% of the start or beginning of life (BoL), the service life limit (End of Life, EoL) of the stack or system is reached. A distinction can be made between lifetime stack, or degradation of stack power, and lifetime PEMFCS, or degradation of net system power. The net system power P_SysNet is defined as the stack power P_Stack minus the auxiliary power of the PEMFCS, such as compressors, pumps, fans, heaters, etc. Due to the dominant power requirement of the compressor (EAC = Electrical Air Compressor) in the air system, P_SysNet is often simplified to PSysNet ≊ P_Stack-P_EAC.

Bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems und Definition der Trajektorie der Control-Targets gilt es in der Systementwicklung P_SysNet zu optimieren. Das Optimum liegt bei BoL systematisch bei niedrigeren Betriebsdrücken als bei EoL. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, dass sich die Sensitivität der Stack-Polkurve auf Druckänderungen mit dessen Degradation ändert. D.h. eine Druckerhöhung über z. B. 2,5 bar hinaus führt am BoL zu einer vergleichsweise geringen Erhöhung der Stackleistung ΔP_Stack,BoL = P_Stack,BoL(2,5 bar +Δp) - P_Stack,BoL(2,5 bar). Gleichzeitig steigt der Leistungsbedarf für die Verdichtung i.d.R. ebenfalls und zwar um ΔP_EAC an. Damit gibt es keine Vorteile einer weiteren Druckerhöhung, woraus folgt: ΔPSysNet (p>2,5 bar) < 0 bei BoL. Bei EoL ist bei gleicher Druckerhöhung die Verbesserung der Polkurve viel stärker ausgeprägt. Wenn z. B. die Massentransportwiderstände vom Flowfield zur Katschicht zunehmen, können die Massentransportverluste des Stacks durch eine Erhöhung des Drucks im Flowfield reduziert oder kompensiert werden und kann damit trotz degradiertem Stack wieder ein ähnlicher Zustand wie zu BoL eingestellt werden, woraus folgt: ΔPSysNet (p>2,5 bar) > 0 bei EoL. Mit einer Druckerhöhung um beispielsweise 0,5 bar kann der EoL-Stack eine zum BoL vergleichbare Performance liefern. Bereits eine Erhöhung um 0,3 bar hat einen signifikanten positiven Effekt.When designing the fuel cell system and defining the trajectory of the control targets, P_SysNet must be optimized during system development. The optimum at BoL is systematically at lower operating pressures than at EoL. The reason for this is that the sensitivity of the stack pole curve to pressure changes changes with pressure degradation. This means that a pressure increase above, for example, 2.5 bar at BoL leads to a comparatively small increase in stack power ΔP_Stack,BoL = P_Stack,BoL(2.5 bar + Δp) - P_Stack,BoL(2.5 bar). At the same time, the power requirement for compression usually also increases, namely by ΔP_EAC. This means that there is no advantage to a further pressure increase, which means: ΔPSysNet (p>2.5 bar) < 0 at BoL. At EoL, the improvement in the pole curve is much more pronounced for the same pressure increase. For example, if the mass transport resistances increase from the flow field to the catalyst layer, the stack's mass transport losses can be reduced or compensated by increasing the pressure in the flow field. Thus, despite the degraded stack, a similar condition to that at BoL can be achieved, resulting in: ΔPSysNet (p>2.5 bar) > 0 at EoL. With a pressure increase of, for example, 0.5 bar, the EoL stack can deliver performance comparable to BoL. Even an increase of 0.3 bar has a significant positive effect.

Eine solche Druckerhöhung ist in vielen Brennstoffzellensystemen möglich, beispielsweise bei einem regulären Betrieb mit Teillast, was bei allen Systemen möglich sein dürfte, oder im Falle einer zweistufigen Aufladung, beispielsweise mit zwei Verdichtern, insbesondere EACs, mit einem zweistufigen EAC oder mit einer Kombination aus EAC und TAC (Turbine Driven Air Compressor). Eine Druckerhöhung ist in vielen Brennstoffzellensystemen anodenseitig möglich, weil der Mitteldruck vor dem Wasserstoffdosierventil i.d.R. bei über 5 bar liegt. Eine Druckerhöhung ist in vielen Brennstoffzellensystemen auch kathodenseitig möglich, obwohl der Druck aktiv aufgebaut wird: In Luftsystemen mit zweistufiger Aufladung, wobei die Vorteile hinsichtlich Verbrauch und Performance umsetzbar sind, mit 2 EACs in Reihe, mit zweistufigem EAC bzw. EAC mit zwei Verdichterrädern ohne Rekuperation oder Turbine, mit EAC und TAC, i.d.R. generell bei Lasten unterhalb der Nennlast, wobei sich der Vorteil des Verbrauchs im realen Fahrbetrieb ergibt, sowie häufig beim Betrieb auf Meereshöhe, wenn das Luftsystem noch Vorhalt für Höhenbetrieb hat, wobei sich der Vorteil des Verbrauchs im Zyklus ergibt.Such a pressure increase is possible in many fuel cell systems, for example during regular operation at partial load, which should be possible in all systems, or in the case of two-stage charging, for example with two compressors, in particular EACs, with a two-stage EAC or with a combination of EAC and TAC (Turbine Driven Air Compressor). A pressure increase is possible on the anode side in many fuel cell systems because the mean pressure upstream of the hydrogen metering valve is usually above 5 bar. A pressure increase is also possible on the cathode side in many fuel cell systems, although the pressure is actively built up: In air systems with two-stage charging, where the advantages in terms of consumption and performance are realizable, with two EACs in series, with two-stage EAC or EAC with two compressor wheels without recuperation or turbine, with EAC and TAC, generally at loads below the nominal load, where the advantage of consumption in real driving conditions, as well as frequently during operation at sea level when the air system still has a reserve for altitude operation, whereby the advantage of consumption in the cycle arises.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of advantageous embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, whereby a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Mehrzahl von als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ausgeführte Brennstoffzellenmodule 120. die Brennstoffzellenmodule 120 sind in einem sogenannten Stack 110 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner mindestens eine Betriebseinrichtung 130, 140, bei der es sich um ein Stellglied, einen Aktor oder dergleichen handelt. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Steuergerät 150. Das Steuergerät 150 ist signalübertragungsfähig mit der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 120 und der mindestens einen Betriebseinrichtung 130, 140 verbunden. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a fuel cell system 100. The fuel cell system 100 comprises a plurality of fuel cell modules 120 designed as proton exchange membrane fuel cells. The fuel cell modules 120 are arranged in a so-called stack 110. The fuel cell system 100 further comprises at least one operating device 130, 140, which is an actuator, an actuator, or the like. The fuel cell system 100 further comprises a control unit 150. The control unit 150 is connected to the plurality of fuel cell modules 120 and the at least one operating device 130, 140 in a signal-transmitting manner.

Das Steuergerät 150 ist ausgebildet, um das Brennstoffzellensystem 100 zu betreiben bzw. einen Betrieb desselben zu steuern. Dazu umfasst das Steuergerät 150 eine Ermittlungseinrichtung 152, eine Einstellungseinrichtung 154 und eine Ansteuerungseinrichtung 156. Zudem umfasst das Steuergerät 150 eine Schnittstelle 151, die auch als Datenschnittstelle bzw. Signalschnittstelle bezeichnet werden kann.The control unit 150 is configured to operate the fuel cell system 100 or to control the operation thereof. For this purpose, the control unit 150 comprises a determination device 152, a setting device 154, and a control device 156. Furthermore, the control unit 150 comprises an interface 151, which can also be referred to as a data interface or signal interface.

Die Ermittlungseinrichtung 152 des Steuergeräts 150 ist ausgebildet, um einen Alterungszustand 153 der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 120 bzw. des Stacks 110 von Brennstoffzellenmodulen 120 zu ermitteln. Insbesondere ist die Ermittlungseinrichtung 152 ausgebildet, um den Alterungszustand 153 unter Verwendung von Systemdaten 115 zu ermitteln. Dabei ist die Ermittlungseinrichtung 152 ausgebildet, um die Systemdaten 115 über die Schnittstelle 151 von den Brennstoffzellenmodulen 120 bzw. von dem Stack 110 einzulesen und zu empfangen. Auch ist die Ermittlungseinrichtung 152 ausgebildet, um den Alterungszustand 153 in Gestalt eines Zustandssignals sowie optional zusätzlich die Systemdaten 115 für die Einstellungseinrichtung 154 bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ermittlungseinrichtung 152 ausgebildet, um den Alterungszustand 153 unter Verwendung eines Schätzverfahrens zu schätzen oder alternativ unter Verwendung eines Bestimmungsverfahrens zu messen.The determination device 152 of the control unit 150 is designed to determine an aging state 153 of the plurality of fuel cell modules 120 or of the stack 110 of fuel cell modules 120. In particular, the determination device 152 is designed to determine the aging state 153 using system data 115. The determination device 152 is designed to read in and receive the system data 115 from the fuel cell modules 120 or from the stack 110 via the interface 151. The determination device 152 is also designed to provide the aging state 153 in the form of a state signal and, optionally, additionally the system data 115 for the setting device 154. According to one exemplary embodiment, the determination device 152 is designed to estimate the aging state 153 using an estimation method or, alternatively, to measure it using a determination method.

Die Einstellungseinrichtung 154 ist ausgebildet, um abhängig von dem Alterungszustand 153 einen aktuellen Soll-Systemdruck des Brennstoffzellensystems 100 einzustellen, um einen eingestellten Soll-Systemdruck 155 zu generieren. Die Einstellungseinrichtung 154 ist auch ausgebildet, um den eingestellten Soll-Systemdruck 155 an die Ansteuerungseinrichtung 156 weiterzugeben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Einstellungseinrichtung 154 ausgebildet, um den eingestellten Soll-Systemdruck 155 so zu generieren, dass dieser bei gleichem Lastzustand des Brennstoffzellensystems 100 gleich dem oder größer als der Soll-Systemdruck im Neuzustand der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 120 ist.The adjustment device 154 is configured to set a current target system pressure of the fuel cell system 100 depending on the aging state 153 in order to generate a set target system pressure 155. The adjustment device 154 is also configured to transmit the set target system pressure 155 to the control device 156. According to one exemplary embodiment, the adjustment device 154 is configured to generate the set target system pressure 155 such that, with the same load state of the fuel cell system 100, it is equal to or greater than the target system pressure in the new state of the plurality of fuel cell modules 120.

Die Ansteuerungseinrichtung 156 ist ausgebildet, um unter Verwendung des eingestellten Soll-Systemdrucks 155 die mindestens eine Betriebseinrichtung 130 und/oder 140 des Brennstoffzellensystems 100 anzusteuern, um das Brennstoffzellensystem 100 zu betreiben. Dabei ist die Ansteuerungseinrichtung 156 ausgebildet, um die mindestens eine Betriebseinrichtung 130 und/oder 140 mittels eines Steuersignals 157 anzusteuern. Das Steuersignal 157 umfasst Parameter oder Befehle zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 mit dem eingestellten Soll-Systemdruck 155.The control device 156 is configured to control the at least one operating device 130 and/or 140 of the fuel cell system 100 using the set target system pressure 155 in order to operate the fuel cell system 100. The control device 156 is configured to control the at least one operating device 130 and/or 140 using a control signal 157. The control signal 157 includes parameters or commands for operating the fuel cell system 100 with the set target system pressure 155.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerungseinrichtung 156 ausgebildet, um eine anodenseitige Betriebseinrichtung 130 anzusteuern, um abhängig von dem eingestellten Soll-Systemdruck 155 einen anodenseitigen Druck zu regulieren. Die anodenseitige Betriebseinrichtung 130 umfasst beispielsweise ein Wasserstoffdosierventil. Zusätzlich oder alternativ ist gemäß einem Ausführungsbeispiel die Ansteuerungseinrichtung 156 ausgebildet, um eine kathodenseitige Betriebseinrichtung 140 anzusteuern, um abhängig von dem eingestellten Soll-Systemdruck 155 einen kathodenseitigen Druck zu regulieren. Die kathodenseitige Betriebseinrichtung 140 umfasst beispielsweise mindestens einen Verdichter oder dergleichen.According to one embodiment, the control device 156 is configured to control an anode-side operating device 130 in order to regulate an anode-side pressure depending on the set target system pressure 155. The anode-side operating device 130 comprises, for example, a hydrogen metering valve. Additionally or alternatively, according to one embodiment, the control device 156 is configured to control a cathode-side operating device 140 in order to regulate a cathode-side pressure depending on the set target system pressure 155. The cathode-side operating device 140 comprises, for example, at least one compressor or the like.

2 zeigt ein Ablaufschema hinsichtlich des Generierens eines eingestellten Soll-Systemdrucks 155 durch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts eines Brennstoffzellensystems. Das Ablaufschema stellt einen Ablauf dar, der durch das Steuergerät aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Steuergerät und/oder durch das Verfahren aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Verfahren angewendet wird. Hierbei wird zusätzlich zu den Systemdaten 115 auch der Alterungszustand 153 der Mehrzahl von Brennstoffzellen berücksichtigt, um den eingestellten Soll-Systemdruck 155 zu generieren. 2 shows a flowchart regarding the generation of a set target system pressure 155 by an embodiment of a control unit of a fuel cell system. The flowchart represents a process that is applied by the control unit from one of the figures described herein or a similar control unit and/or by the method from one of the figures described herein or a similar method. In addition to the system data 115, the aging state 153 of the plurality of fuel cells is also taken into account to generate the set target system pressure 155.

Anders ausgedrückt bezieht sich das Ablaufschema auf ein Verfahren, bei dem neben den üblichen Zusammenhängen in einem sogenannten Top-Level-Koordinator, wie z. B. Stromdichte/Last, Temperatur, etc., d.h. neben den Systemdaten 115, der aktuelle Stack-SoH bzw. Alterungszustand 153 bei der Bestimmung des eingestellten Soll-Systemdrucks 155 berücksichtigt wird. Damit kann die Netto-Systemleistung des Brennstoffzellensystems über die Lebensdauer optimiert werden. Der Top-Level-Koordinator ist beispielsweise auch zum aktivitätsbasierten Wassermanagement ausgebildet.In other words, the flowchart refers to a process in which, in addition to the usual relationships in a so-called top-level coordinator, such as current density/load, temperature, etc., i.e., in addition to the system data 115, the current stack SoH or aging state 153 is taken into account when determining the set target system pressure 155. This allows the net system performance of the fuel cell system to be optimized over its lifetime. The top-level coordinator is also designed, for example, for activity-based water management.

3 zeigt ein Ablaufschema hinsichtlich des Generierens eines eingestellten Soll-Systemdrucks 155 unter Berücksichtigung kathodenseitiger Beitragsgrößen durch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts eines Brennstoffzellensystems. Das Ablaufschema stellt einen Ablauf dar, der durch das Steuergerät aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Steuergerät und/oder durch das Verfahren aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Verfahren angewendet wird. Hierbei werden vor allem die kathodenseitigen Degradationsauswirkungen des Stacks minimiert, um die Performance des Brennstoffzellensystems über die Lebensdauer zu optimieren. Insbesondere wird ein Kathodendruck wird über die Lebensdauer angepasst. 3 shows a flowchart regarding the generation of a set target system pressure 155 taking into account cathode-side contribution variables by an embodiment of a control unit of a fuel cell system. The flowchart represents a process that is applied by the control unit from one of the figures described herein or a similar control unit and/or by the method from one of the figures described herein or a similar method. In particular, the cathode-side degradation effects of the stack are minimized in order to optimize the performance of the fuel cell system over its lifetime. In particular, a cathode pressure is adjusted over its lifetime.

Das Ablaufschema ähnelt dem Ablaufschema aus 2, wobei lediglich der Alterungszustand 153 detaillierter in Beitragsgrößen unterteilt ist, die zu einer Änderung des Alterungszustands 153 beitragen. Die Systemdaten 115 umfassen beispielsweise auch eine Tabelle von Betriebspunkten oder dergleichen.The flow chart is similar to the flow chart from 2 , wherein only the aging state 153 is divided in more detail into contribution variables that contribute to a change in the aging state 153. The system data 115 also include, for example, a table of operating points or the like.

Die hier dargestellten Beitragsgrößen umfassen eine Protonenleitfähigkeit 353A, einen Massentransportwiderstand 353B bzw. Stoffübergangswiderstand der Kathode, einen Massentransportwiderstand 353C bzw. Stoffübergangswiderstand der Anode, einen ECSA-Verlust 353D der Kathode (ECSA = electrochemically active surface area; elektrochemisch aktive Oberfläche), einen ECSA-Verlust 353E der Anode, eine Doppelschichtleitfähigkeit 353F und eine elektrische Leitfähigkeit 353G. Dabei ist die Protonenleitfähigkeit 353A ein generell drucksensitive Verlustbeitrag, sind der Massentransportwiderstand 353B der Kathode und der ECSA-Verlust 353D der Kathode drucksensitive Verlustbeiträge auf der Kathodenseite, sind der Massentransportwiderstand 353C der Anode und der ECSA-Verlust 353E der Anode drucksensitive Verlustbeiträge auf der Anodenseite und sind die Doppelschichtleitfähigkeit 353F und die elektrische Leitfähigkeit 353G von Druckänderungen unabhängige Verlustbeiträge.The contributions shown here include a proton conductivity 353A, a mass transport resistance 353B or mass transfer resistance of the cathode, a mass transport resistance 353C or mass transfer resistance of the anode, an ECSA loss 353D of the cathode (ECSA = electrochemically active surface area), an ECSA loss 353E of the anode, a double layer conductivity 353F and an electrical conductivity 353G. The proton conductivity 353A is a generally pressure-sensitive loss contribution, the mass transport resistance 353B of the cathode and the ECSA loss 353D of the cathode are pressure-sensitive loss contributions on the cathode side, the mass transport resistance 353C of the anode and the ECSA loss 353E of the anode are pressure-sensitive loss contributions on the anode side, and the double-layer conductivity 353F and the electrical conductivity 353G are loss contributions independent of pressure changes.

Zum Generieren des eingestellten Soll-Systemdrucks 155 werden hinsichtlich des Alterungszustands 153 hierbei von den Beitragsgrößen die Protonenleitfähigkeit 353A, der Massentransportwiderstand 353B der Kathode und der ECSA-Verlust 353D der Kathode berücksichtigt. Der eingestellte Soll-Systemdruck 155 ist hierbei vorrangig oder ausschließlich als ein Kathodeneinlassdruck zu verstehen.To generate the set target system pressure 155, the proton conductivity 353A, the mass transport resistance 353B of the cathode, and the ECSA loss 353D of the cathode are taken into account with respect to the aging state 153. The set target system pressure 155 is to be understood primarily or exclusively as a cathode inlet pressure.

4 zeigt ein Ablaufschema hinsichtlich des Generierens eines eingestellten Soll-Systemdrucks 155 unter Berücksichtigung anodenseitiger Beitragsgrößen durch ein Ausführungsbeispiel eines Steuergeräts eines Brennstoffzellensystems. Das Ablaufschema stellt einen Ablauf dar, der durch das Steuergerät aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Steuergerät und/oder durch das Verfahren aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Verfahren angewendet wird. Das Ablaufschema entspricht dem Ablaufschema aus 3 mit Ausnahme dessen, dass zum Generieren des eingestellten Soll-Systemdrucks 155 hinsichtlich des Alterungszustands 153 hierbei von den Beitragsgrößen die Protonenleitfähigkeit 353A, der Massentransportwiderstand 353C der Anode und der ECSA-Verlust 353E der Anode berücksichtigt werden. Der eingestellte Soll-Systemdruck 155 ist hierbei vorrangig oder ausschließlich als ein Anodeneinlassdruck zu verstehen. Hierbei werden vor allem die anodenseitigen Degradationsauswirkungen des Stacks minimiert, um die Performance des Brennstoffzellensystems über die Lebensdauer zu optimieren. Insbesondere wird ein Anodendruck wird über die Lebensdauer angepasst. 4 shows a flowchart regarding the generation of a set target system pressure 155 taking into account anode-side contribution variables by an embodiment of a control unit of a fuel cell system. The flowchart represents a process that is applied by the control unit from one of the figures described herein or a similar control unit and/or by the method from one of the figures described herein or a similar method. The flowchart corresponds to the flowchart from 3 with the exception that, to generate the set target system pressure 155 with respect to the aging state 153, the proton conductivity 353A, the mass transport resistance 353C of the anode, and the ECSA loss 353E of the anode are taken into account. The set target system pressure 155 is primarily or exclusively to be understood as an anode inlet pressure. In particular, the anode-side degradation effects of the stack are minimized in order to optimize the performance of the fuel cell system over its lifetime. In particular, an anode pressure is adjusted over its lifetime.

Unter Bezugnahme auf 3 und 4 sei darauf hingewiesen, dass durch das Steuergerät aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Steuergerät und/oder durch das Verfahren aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder ein ähnliches Verfahren mindestens eine der genannten Beitragsgrößen 353A, 353B, 353C, 353D, 353E ermittelt wird, die zu einer Änderung des Alterungszustands 153 beiträgt, wobei der eingestellte Soll-Systemdruck 155 abhängig davon generiert wird, ob die mindestens eine der genannten Beitragsgrößen 353A, 353B, 353C, 353D, 353E durch Einstellen des Soll-Systemdrucks, eines anodenseitigen Drucks und/oder eines kathodenseitigen Drucks beeinflussbar ist.With reference to 3 and 4 It should be noted that at least one of the mentioned contribution variables 353A, 353B, 353C, 353D, 353E is determined by the control unit from one of the figures described herein or a similar control unit and/or by the method from one of the figures described herein or a similar method, which contributes to a change in the aging state 153, wherein the set target system pressure 155 is generated depending on whether the at least one of the mentioned contribution variables 353A, 353B, 353C, 353D, 353E can be influenced by setting the target system pressure, an anode-side pressure and/or a cathode-side pressure.

Der Stack-SoH (State of Health) bzw. Alterungszustand 153 wird hierbei auf verschiedene Verlust-/Degradationsbeiträge bzw. Beitragsgrößen 353A, 353B, 353C, 353D, 353E, 353F und 353G heruntergebrochen. Dabei kann unterschieden werden zwischen Beiträgen, die drucksensitiv sind, d. h. durch Änderung des Systemdrucks beeinflusst werden, und solchen, die nicht drucksensitiv sind. Eine weitere Unterscheidung ist innerhalb der drucksensitiven Verlustbeiträge möglich:

- Generell drucksensitiv, z. B. Membranfeuchte, die von Anoden- und Kathodenbetrieb abhängt.
- Drucksensitiv auf Anodendruck, z. B. Transportverluste Anode.
- Drucksensitiv auf Kathodendruck, z. B. Transportverluste Kathode.

The stack SoH (State of Health) or aging state 153 is broken down into various loss/degradation contributions or

contribution sizes

353A, 353B, 353C, 353D, 353E, 353F, and 353G. A distinction can be made between contributions that are pressure-sensitive, i.e., influenced by changes in the system pressure, and those that are not pressure-sensitive. Further differentiation is possible within the pressure-sensitive loss contributions:

- Generally pressure sensitive, e.g. membrane humidity, which depends on anode and cathode operation.
- Pressure sensitive to anode pressure, e.g. anode transport losses.
- Pressure sensitive to cathode pressure, e.g. cathode transport losses.

Mit fortschrittlichen SoH-Schätzern und/oder SoH-Bestimmungsverfahren, z. B. GCM (Galvanostatic Charging Method), ist es möglich, die Verlustbeiträge bzw. Beitragsgrößen einzeln auszuweisen. Die Vorgehensweise zur Druckeinstellung kann bei Detailinformation über die aktuellen Verlust-/Degradationsbeiträge bzw. Beitragsgrößen des Stack-SoH bzw. Alterungszustands 153 entsprechend detailliert werden, wie es in 3 und 4 gezeigt ist. Es ist auch eine Kombination der Ansätze von 3 und 4 möglich. Generell wird hierbei beachtet, dass die sich einstellenden Ist-Drücke der verschiedenen Fluidsysteme innerhalb der zulässigen Druckdifferenzen bleiben, z. B. Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode über Membran. D.h. es ist möglich, dass eine Solldruck-Erhöhung der Kathode auch eine Solldruck-Erhöhung der Anode impliziert und umgekehrt.With advanced SoH estimators and/or SoH determination methods, e.g., GCM (Galvanostatic Charging Method), it is possible to identify the loss contributions or contribution sizes individually. The pressure adjustment procedure can be detailed accordingly with detailed information about the current loss/degradation contributions or contribution sizes of the stack SoH or aging state 153, as described in 3 and 4 It is also a combination of the approaches of 3 and 4 possible. In general, it is important to ensure that the actual pressures of the various fluid systems remain within the permissible pressure differences, e.g., the pressure difference between anode and cathode across the membrane. This means that a target pressure increase at the cathode may also imply a target pressure increase at the anode, and vice versa.

5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 550 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren 550 zum Betreiben ist ausführbar, um ein Brennstoffzellensystem zu betreiben bzw. einen Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu steuern. Das Verfahren 550 zum Betreiben ist in Verbindung mit dem Brennstoffzellensystem aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder einem ähnlichen Brennstoffzellensystem durchführbar. Dabei sind die Schritte des Verfahrens 550 zum Betreiben mittels eines Steuergeräts aus einer der hierin beschriebenen Figuren oder eines ähnlichen Steuergeräts ausführbar. 5 shows a flowchart of an embodiment of a method 550 for operating a fuel cell system. The method 550 for operating can be executed to operate a fuel cell system or to control the operation of a fuel cell system. The method 550 for operating can be carried out in connection with the fuel cell system from one of the figures described herein or a similar fuel cell system. The steps of the method 550 for operating can be executed by means of a control unit from one of the figures described herein or a similar control unit.

Das Verfahren 550 zum Betreiben umfasst einen Schritt 552 des Ermittelns, einen Schritt 554 des Einstellens und einen Schritt 556 des Ansteuerns. In dem Schritt 552 des Ermittelns wird ein Alterungszustand der Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen des Brennstoffzellensystems ermittelt. Nachfolgend wird in dem Schritt 554 des Einstellens ein aktueller Soll-Systemdrucks des Brennstoffzellensystem abhängig von dem Alterungszustand eingestellt, um einen eingestellten Soll-Systemdruck zu generieren. Wiederum nachfolgend wird in dem Schritt 556 des Ansteuerns mindestens eine Betriebseinrichtung des Brennstoffzellensystems unter Verwendung des eingestellten Soll-Systemdrucks angesteuert, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben.The operating method 550 comprises a determining step 552, a setting step 554, and a controlling step 556. In the determining step 552, an aging state of the plurality of fuel cell modules of the fuel cell system is determined. Subsequently, in the setting step 554, a current target system pressure of the fuel cell system is set depending on the aging state in order to generate a set target system pressure. Subsequently, in the controlling step 556, at least one operating device of the fuel cell system is controlled using the set target system pressure in order to operate the fuel cell system.

Zusammenfassend und mit anderen Worten ausgedrückt wird gemäß Ausführungsbeispielen somit der Alterungszustand der Mehrzahl von Brennstoffzellen bei der Ableitung des Ziel-Betriebsdrucks berücksichtigt. Optional zusätzlich werden detaillierte Informationen über Degradationsanteile, z. B. Anode gegenüber Kathode, bei der Bestimmung der aktuellen Soll-Drücke von Anode und/oder Kathode berücksichtigt.In summary, and in other words, according to exemplary embodiments, the aging state of the majority of fuel cells is taken into account when deriving the target operating pressure. Optionally, detailed information about degradation proportions, e.g., anode versus cathode, is also taken into account when determining the current target pressures of the anode and/or cathode.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.The exemplary embodiments described and shown in the figures are selected only as examples. Different exemplary embodiments can be combined with one another in their entirety or with regard to individual features. Furthermore, one exemplary embodiment can be supplemented by features of another exemplary embodiment.

Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.Furthermore, the process steps presented here can be repeated and carried out in a different order than that described.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an embodiment includes an “and/or” link between a first feature and a second feature, this should be read as meaning that the embodiment according to one embodiment includes both the first feature and the second feature and according to another embodiment includes either only the first feature or only the second feature.

Claims

A method (550) for operating a fuel cell system (100), wherein the fuel cell system (100) comprises a plurality of fuel cell modules (120) configured as proton exchange membrane fuel cells, the method (550) comprising the following steps: determining (552) an aging state (153) of the plurality of fuel cell modules (120); setting (554) a current target system pressure of the fuel cell system (100) depending on the aging state (153) in order to generate a set target system pressure (155); and controlling (556) at least one operating device (130, 140) of the fuel cell system (100) using the set target system pressure (155) in order to operate the fuel cell system (100).

Procedure (550) according to Claim 1 , in which in step (554) of setting the set target system pressure (155) is equal to or greater than the target system pressure in the new state of the plurality of fuel cell modules (120) for the same load state of the fuel cell system (100).

Method (550) according to one of the preceding claims, wherein in step (552) of the Determining the aging state (153) is estimated using an estimation method or measured using a determination method.

Method (550) according to one of the preceding claims, wherein in the step (556) of controlling, an anode-side operating device (130) is controlled in order to regulate an anode-side pressure depending on the set target system pressure (155).

Method (550) according to one of the preceding claims, wherein in the step (556) of controlling, a cathode-side operating device (140) is controlled in order to regulate a cathode-side pressure depending on the set target system pressure (155).

Method (550) according to one of the preceding claims, wherein in the step (552) of determining at least one contribution variable is determined which contributes to a change in the aging state (153), wherein in the step (554) of adjusting the adjusted target system pressure (155) is generated depending on whether the at least one contribution variable can be influenced by adjusting the target system pressure, an anode-side pressure and/or a cathode-side pressure.

Procedure (550) according to Claim 6 , wherein the at least one contribution variable comprises an anode-side mass transport resistance (353C), a cathode-side mass transport resistance (353B), an anode-side loss of electrochemically active surface (353E), a cathode-side loss of electrochemically active surface (353D) and/or a proton conductivity (353A).

Control device (150) which is designed to carry out the steps of a method (550) according to one of the preceding claims in corresponding devices (152, 154, 156).

A fuel cell system (100) comprising: a plurality of fuel cell modules (120) designed as proton exchange membrane fuel cells; at least one operating device (130, 140); and a control unit (150) according to Claim 8 , wherein the control unit (150) is connected to the plurality of fuel cell modules (120) and the at least one operating device (130, 140) in a signal-transmitting manner.

Computer program product with program code for carrying out the method (550) according to one of the Claims 1 until 7 when the program product is executed on a device.