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WO2025050151A1 - Diagnoseverfahren zum erkennen von störungen eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Diagnoseverfahren zum erkennen von störungen eines brennstoffzellenstapels Download PDF

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WO2025050151A1
WO2025050151A1 PCT/AT2024/060332 AT2024060332W WO2025050151A1 WO 2025050151 A1 WO2025050151 A1 WO 2025050151A1 AT 2024060332 W AT2024060332 W AT 2024060332W WO 2025050151 A1 WO2025050151 A1 WO 2025050151A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
regeneration
fuel cell
regeneration time
cell stack
time intervals
Prior art date
Application number
PCT/AT2024/060332
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
James Turner
Markus Wendland
Original Assignee
Avl List Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Avl List Gmbh filed Critical Avl List Gmbh
Publication of WO2025050151A1 publication Critical patent/WO2025050151A1/de

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a diagnostic method for detecting faults in a fuel cell stack of a fuel cell system, a computer program product for carrying out such a diagnostic method and a diagnostic device.
  • one object of the present invention is to at least partially remedy the disadvantages described above.
  • the object of the present invention is to determine faults in a fuel cell stack.
  • the diagnostic method comprises the following steps:
  • a regeneration cycle represents a renewal of the fuel cell stack to reverse the reversible degradation of the fuel cell stack.
  • the regeneration times can be determined as follows: A parameter, such as power or voltage, falls below an operating-point-dependent threshold at a specific operating point. If, for example, the voltage has fallen below the threshold, then the fuel cell stack needs to be renewed. A regeneration time is determined for each fully completed renewal.
  • the regeneration time interval represents the time between two consecutive regeneration times. Furthermore, the regeneration time interval can be in the range of 1 day to 20 weeks, in the range of 1 week to 10 weeks, and in particular range from 4 to 8 weeks. However, especially in stationary operation, the regeneration interval can also be in the range of minutes.
  • the regeneration cycle i.e. the renewal of the fuel cell stack, can range from 1 minute to 200 minutes, from 10 minutes to 150 minutes, and especially from 30 minutes to 90 minutes.
  • a regeneration time is determined for each regeneration cycle of the fuel cell stack
  • the regeneration time is determined at any point in time during the regeneration cycle, e.g., at the beginning or at the end.
  • the respective regeneration time is always determined at the same point in the respective regeneration cycle.
  • the reference can represent the regeneration time interval that can be expected under normal conditions for reversible degradation of the fuel cell stack.
  • the regeneration time interval is highly dependent on the operation of the fuel cell, particularly the operating point and whether dynamic or steady-state operation is taking place. A deviation of a specific regeneration time interval from the reference can therefore result in a disruption of the operation of the fuel cell stack.
  • the reference function can represent a target function that is expected in the event of reversible degradation of the fuel cell stack under normal conditions.
  • the target function specifies the expected regeneration time intervals over time. A deviation of the regeneration time interval function from the reference function can therefore result in a disruption of the fuel cell stack's operation.
  • a fuel cell system is understood to be a system (e.g., SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) that has fuel cells for generating electrical energy using a fuel, or a system (e.g., SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell) that has electrolysis cells for generating a fuel using electrical energy.
  • a fuel cell stack therefore comprises multiple fuel cells or multiple electrolysis cells.
  • the described diagnostic procedure can be particularly relevant for stationary applications and continuously operated fuel cell systems.
  • each regeneration time is determined by continuously monitoring a parameter of the fuel cell stack.
  • a regeneration signal is triggered if the parameter value falls below or exceeds a target parameter value.
  • triggering the regeneration signal ultimately leads to the determination of a regeneration time.
  • the term "continuously monitored" can mean that the parameter is checked continuously or that the parameter is checked at short intervals.
  • the parameter is a power of the fuel cell stack, a voltage of the fuel cell stack, a time period, a number of operating hours, an amount of fuel consumed, or an amount of energy produced. All of these parameters are suitable for monitoring the fuel cell stack. However, other parameters may also be used.
  • the time period may be the total operating time of the fuel cell stack.
  • the respective regeneration signal triggers a regeneration cycle of the fuel cell stack.
  • Each regeneration time is the respective end time of the regeneration cycle of the fuel cell stack, in particular the respective end time of the fully completed regeneration cycle of the fuel cell stack.
  • the regeneration times could also be at the beginning of the regeneration cycle, or another specific time of the regeneration cycle can be specified.
  • an environmental parameter is taken into account when determining the target parameter value.
  • Such an environmental parameter can be, for example, the ambient temperature, air pressure, or humidity.
  • the environmental parameter can influence the function of the fuel cell stack. Therefore, the environmental parameter can also be taken into account when determining the target parameter value. Alternatively, multiple environmental parameters can be taken into account simultaneously.
  • the reference is created using previously determined regeneration time intervals.
  • the fault signal is output if a regeneration time interval differs from the reference by more than a limit value.
  • the regeneration time interval compared to the reference can, in particular, be the most recently determined regeneration time interval. This makes it possible, in particular, to detect short-term faults in the fuel cell stack.
  • the previously determined regeneration time intervals can, for example, have been measured. Alternatively, the previously determined regeneration time intervals could also have been calculated. In particular, an average value can be calculated for the previously determined regeneration time intervals.
  • the function of the regeneration time intervals is created as a temporal progression of the determined regeneration time intervals.
  • a gradient of the function is calculated, with a disturbance signal being output if the calculated gradient lies above or below a limit value.
  • the gradient is a derivative of the function with respect to time.
  • the gradient can also be determined from only one region of the function, e.g., in particular from an end region. This is particularly necessary if a uniform gradient cannot be determined over the entire course of the function.
  • the calculated gradient can be used to detect whether there is a disruption in the operation of the fuel cell stack.
  • the function of the regeneration time intervals is extrapolated as a temporal progression of the determined regeneration time intervals in order to create a diagnosis for the future progression of the regeneration time intervals. For example, from a progression of the regeneration time intervals of first 6 hours, then 5 hours, and then 4 hours, It can be concluded that the next regeneration time interval is less than or equal to 4 hours.
  • the diagnosis can be used to predict the length of future regeneration time intervals.
  • an environmental parameter is taken into account when creating the reference or the reference function.
  • the environmental parameter can be, for example, the ambient temperature, air pressure, or humidity.
  • the environmental parameter can influence the function of the fuel cell stack. Therefore, the environmental parameter can also be taken into account when creating the reference or the reference function. Alternatively, multiple environmental parameters can be taken into account simultaneously.
  • the present invention provides a computer program product comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform the steps of a diagnostic method according to the invention.
  • a computer program product according to the invention also provides the same advantages as those explained in detail with reference to a diagnostic method according to the invention.
  • a diagnostic device for detecting malfunctions in the operation of a fuel cell stack of a fuel cell system.
  • the diagnostic device comprises a regeneration time point determination module for determining a plurality of regeneration times, wherein a regeneration time point can be determined in each regeneration cycle of the fuel cell stack, and wherein the regeneration time point determination module is configured to determine the regeneration times one after the other, a regeneration time interval determination module for determining a regeneration time interval between successive regeneration times, a comparison module for comparing the regeneration time intervals with a reference and/or comparing a function of the regeneration time intervals with a reference function in order to detect malfunctions in the operation of the fuel cell stack, and an output module for outputting a malfunction signal based on the comparison result of the comparison module, characterized in that the regeneration time point determination module and/or the regeneration time interval determination module and/or the comparison module and/or the output module are designed to carry out the method according to one of claims 1 to 7.
  • the regeneration time point determination module, the regeneration time interval determination module, the comparison module and the output module are designed to carry out a diagnostic method according to the invention.
  • the comparison module can compare the regeneration time intervals with a reference and/or the function of the regeneration time intervals with a reference function, it is possible to identify malfunctions in the operation of the fuel cell stack.
  • the reference or the reference function describe the fuel cell stack as one would expect under normal conditions. Under normal conditions, reversible degradation is expected over time. Deviations from this normal course can then be identified as malfunctions in the fuel cell stack.
  • the diagnostic device comprises a parameter monitoring module for monitoring a parameter of the fuel cell stack and for transmitting the value of the parameter to the regeneration time determination module.
  • the parameter monitoring module makes it possible to monitor a parameter relevant for determining the regeneration times.
  • the parameter can be, for example, a power output of the fuel cell stack, a voltage of the fuel cell stack, a time period, a number of operating hours, an amount of fuel consumed, or an amount of energy produced.
  • Fig. 1 is a schematic view of a diagnostic device according to the invention.
  • Fig. 2 is a view of a graph of regeneration time intervals plotted against time, or a function of the regeneration time intervals plotted against time.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a diagnostic device 10 according to the invention.
  • the diagnostic device 10 serves to detect malfunctions in the operation of a fuel cell stack of a fuel cell system.
  • the diagnostic device 10 comprises a regeneration time point determination module 20, a regeneration time interval determination module 30, a comparison module 40, and an output module 50.
  • the diagnostic device 10 can also include a parameter monitoring module 60.
  • the regeneration time determination module 20 can determine multiple regeneration times. For this purpose, the regeneration time determination module 20 can determine a regeneration time for each regeneration cycle, i.e., for each renewal of the fuel cell stack. Accordingly, the regeneration time determination module 20 is configured to determine the regeneration times sequentially.
  • the regeneration time interval determination module 30 receives the regeneration times from the regeneration time point determination module 20.
  • the regeneration time interval determination module 30 can determine the regeneration time intervals between successive regeneration times.
  • the comparison module 40 receives the regeneration time intervals from the regeneration time interval determination module 30.
  • the comparison module 40 serves to compare the regeneration time intervals with a reference.
  • the comparison module 40 serves to compare a function of the regeneration time intervals with a reference function.
  • the deviations of the regeneration time intervals from the reference and/or the deviations of the function of the regeneration time intervals from the reference function can reveal a malfunction in the operation of the fuel cell stack.
  • the output module 50 receives the comparison result from the comparison module 40.
  • a disturbance signal based on the comparison result of the comparison module 40 can be output by the output module 50.
  • the output of the disturbance signal 70 is represented by an arrow.
  • the disturbance signal 70 can be output, for example, to a loudspeaker for acoustic output, sent to a screen to enable a visual display, or sent to a computer for further processing of the disturbance signal.
  • the diagnostic device 10 can optionally include a parameter monitoring module 60.
  • the parameter monitoring module 60 monitors a parameter of the fuel cell stack and transmits the value of the parameter to the regeneration time determination module 20.
  • the parameter monitoring module 60 can continuously monitor and transmit the value of the parameter.
  • the parameter monitoring module 60 can also monitor and transmit the value of the parameter at specified intervals.
  • the regeneration time point determination module 20 compares the parameter value with a previously determined target parameter value. If the parameter value exceeds the target parameter value, a regeneration signal is triggered. The regeneration signal starts a regeneration cycle of the fuel cell stack, i.e., a renewal of the fuel cell stack to reverse the reversible degradation of the fuel cell stack. A regeneration time point is determined for each regeneration cycle. The regeneration times are always determined at the same point in the respective regeneration cycle. For example, the respective regeneration point can always be determined at the end of the respective fully completed regeneration cycle. However, a different point in the regeneration cycle is also possible.
  • a regeneration signal can be triggered if the value of the parameter falls below a previously determined target parameter value.
  • the monitored parameter of the fuel cell stack can be, for example, a power of the fuel cell stack, a voltage of the fuel cell stack, a time period, a number of operating hours, an amount of fuel consumed or an amount of energy produced.
  • the diagnostic procedure can be carried out with the device described in Fig. 1.
  • the diagnostic procedure comprises the following steps:
  • a regeneration time is determined for each regeneration cycle of the fuel cell stack. Thus, the regeneration times occur one after the other.
  • a regeneration time interval is always determined for two consecutive regeneration times.
  • the regeneration time intervals are compared with a reference.
  • a function of the regeneration time intervals is compared with a reference function. This comparison can be used to detect malfunctions in the operation of the fuel cell stack.
  • a fault signal can be output based on the comparison result.
  • Fig. 2 shows a view of a graph. It shows regeneration time intervals RI plotted against time t, or a function of the regeneration time intervals F(t), which is specified as a function of time t.
  • the values of the individual regeneration time intervals RI are plotted as points in the graph. As can be seen from Fig. 2, the value of the regeneration time intervals RI decreases with time t. If the value of a regeneration time interval RI falls below the reference value, a fault signal can be output.
  • Fig. 2 also shows a function of the regeneration time intervals F(t) that has a negative slope.
  • the function of the regeneration time intervals F(t) can be compared with a reference function. In the event of deviations, a disturbance signal can be output.
  • the slope of the function of the regeneration time intervals F(t) can be compared with the slope of a reference function.
  • the regeneration time interval function F(t) can be extrapolated. This extrapolation E(t) allows a diagnosis of the future course of the regeneration time intervals. This allows an estimate of how long the future regeneration time intervals are likely to be. This, in turn, allows an estimate of when the fuel cell stack should be renewed.
  • the environmental parameters of the fuel cell stack can be taken into account when creating the reference and/or reference function. Furthermore, the environmental parameters can be taken into account when creating the target parameter. This allows the influence of the environmental parameters on the fuel cell stack to be eliminated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zum Erkennen von Störun- gen eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems mit den folgenden Schritten: - Bestimmen mehrerer Regenerationszeitpunkte, wobei ein Regenerationszeitpunkt bei jeweils einem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird, und wobei die Regenerationszeitpunkte zeitlich nacheinander liegen, - Bestimmen von jeweils einem Regenerationszeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten, - Vergleichen der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz und/oder Vergleichen einer Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion, um Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, und - Ausgeben eines Störungssignals auf Basis des Vergleichsergebnisses. Dabei wird die Referenz durch zuvor bestimmte Regenerationszeitintervalle erstellt, und das Störungssignal ausgegeben, falls ein Regenerationszeitintervall im Vergleich zu der Referenz eine Abweichung aufweist, welche über einem Grenzwert liegt.

Description

Diagnoseverfahren zum Erkennen von Störungen eines Brennstoffzellenstapels
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zum Erkennen von Störungen eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Diagnoseverfahrens und eine Diagnosevorrichtung.
Im Stand der Technik ist bekannt, dass Brennstoffzellenstapel mit der zeit degradieren können. Dabei unterscheidet man zwischen der reversiblen Degradation und der irreversiblen Degradation. Die reversible Degradation kann wieder Rückgängig gemacht werden. Dabei gibt es verschiedene Regenerationsmethoden, um die reversible Degradation rückgängig zu machen. Die irreversible Degradation kann dagegen nicht wieder Rückgängig gemacht werden. Bei den bekannten Brennstoffzellenstapeln lässt sich nicht einfach sagen, welcher Anteil der Degradation reversibel ist und welcher Anteil der Degradation irreversibel ist, bzw. welche Störungen auftreten. Die irreversible Degradation macht einen Teil der Störungen aus, welche bei einem Brennstoffzellenstapel auftreten können. Daneben können auch andere Störungen des Brennstoffzellenstapels auftreten.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung Störungen eines Brennstoffzellenstapels zu bestimmen.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Diagnoseverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie eine Diagnosevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sowie der erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Demgemäß wird ein Diagnoseverfahren zum Erkennen von Störungen eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Diagnoseverfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Bestimmen mehrerer Regenerationszeitpunkte, wobei ein Regenerationszeitpunkt bei jeweils einem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird, und wobei die Regenerationszeitpunkte zeitlich nacheinander liegen,
- Bestimmen von jeweils einem Regenerationszeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten,
- Vergleichen der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz und/oder Vergleichen einer Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion, um Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, und
- Ausgeben eines Störungssignals auf Basis des Vergleichsergebnisses.
Dadurch, dass die Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz verglichen werden und/oder eine Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion verglichen wird, kann erkannt werden, ob sich die Regenerationszeitintervalle so ändern, dass dies nur mittels einer Störung zu erklären ist. Auf diese Weise können Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels erkannt werden.
Ein Regenerationszyklus stellt eine Erneuerung des Brennstoffzellenstapels dar, um die reversible Degradation des Brennstoffzellenstapels rückgängig zu machen. Die Regenerationszeitpunkte können folgendermaßen bestimmt werden. Ein Parameter, z.B. die Leistung oder die Spannung, fällt in einem bestimmten Betriebspunkt unter einen betriebspunktabhängigen Grenzwert. Wenn z.B. die Spannung unter den Grenzwert gefallen ist, dann ist eine Erneuerung des Brennstoffzellenstapels nötig. Bei jeder vollständig abgeschlossenen Erneuerung wird ein Regenerationszeitpunkt bestimmt.
Das Regenerationszeitintervall stellt die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten dar. Weiter kann das Regenerationszeitintervall im Bereich von 1 Tag bis 20 Wochen, im Bereich von 1 Woche bis 10 Wochen, und insbesondere im Bereich von 4 Wochen bis 8 Wochen liegen. Insbesondere im stationären Betrieb kann das Regenerationsintervall aber auch im Bereich von Minuten liegen.
Der Regenerationszyklus, d.h. die Erneuerung des Brennstoffzellenstapels, kann im Bereich von 1 Minute bis 200 Minuten, im Bereich von 10 Minuten bis 150 Minuten, und insbesondere im Bereich von 30 Minuten bis 90 Minuten liegen.
Der Ausdruck „wobei ein Regenerationszeitpunkt bei jeweils einem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird“ kann heißen, dass der Regenerationszeitpunkt an irgendeinem Zeitpunkt des Regenerationszyklus, z.B. am Beginn oder am Ende, bestimmt wird. Dabei wird der jeweilige Regenerationszeitpunkt immer an der gleichen Stelle im jeweiligen Regenerationszyklus bestimmt.
Besonders vorteilhaft ist, den Zeitpunkt immer dann zu ermitteln, wenn die reversible Regeneration vollständig abgeschlossen wurde. Wenn der Regenerationszyklus durch beispielsweise Betriebsartenwechsel oder Betriebspunktverlagerung nicht abgeschlossen werden konnte, sollte dagegen kein Zeitpunkt ermittelt werden da nicht sicher festgestellt werden kann, welcher Anteil der reversiblen Degeneration tatsächlich eliminiert werden konnte und dies dann Einfluss auf das Zeitintervall zwischen zwei Regenerationen hat.
Die Referenz kann das Regenerationszeitintervall darstellen, welches bei einer unter normalen Umständen zu erwartenden reversiblen Degradation des Brennstoffzellenstapels zu erwarten ist. Das Regenerationszeitintervall ist, wie zuvor diskutiert, stark abhängig vom Betrieb der Brennstoffzelle, insbesondere vom Betriebspunkt und ob dynamischer Betrieb oder stationärer Betrieb vorliegt. Ein Abweichen eines bestimmten Regenerationszeitintervalls von der Referenz kann dann demnach eine Störung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels bedeuten.
Die Referenzfunktion kann eine Sollfunktion darstellen, welche bei einer unter normalen Umständen zu erwartenden reversiblen Degradation des Brennstoffzellenstapels zu erwarten ist. Dabei gibt die Sollfunktion die erwarteten Regenerationszeitintervalle mit der Zeit an. Ein Abweichen der Funktion der Regenerationszeitintervalle von der Referenzfunktion kann dann demnach eine Störung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels bedeuten. Unter einem Brennstoffzellensystem wird in der vorliegenden Anmeldung ein System (z.B. SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) verstanden, welches Brennstoffzellen zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels eines Brennstoffs aufweist, oder ein System (z.B. SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell), welches Elektrolysezellen zum Erzeugen eines Brennstoffs mittels elektrischer Energie aufweist. Ein Brennstoffzellenstapel weist daher mehrere Brennstoffzellen oder mehrere Elektrolysezellen auf.
Das beschriebene Diagnoseverfahren kann insbesondere für stationäre Anwendungen und dauerbetriebene Brennstoffzellensysteme relevant sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird jeder Regenerationszeitpunkt bestimmt, indem ein Parameter des Brennstoffzellenstapels laufend überwacht wird. Dabei wird bei unterschreiten oder überschreiten eines Werts des Parameters im Vergleich zu einem Sollparameterwert ein Regenerationssignal ausgelöst. Vorteilhafterweise führt das Auslösen des Regenerationssignals letztendlich dazu, dass ein Regenerationszeitpunkt bestimmt werden kann. Der Ausdruck „laufend überwacht“ kann bedeuten, dass der Parameter kontinuierlich überprüft wird, oder, dass der Parameter in kurzen Zeitabständen überprüft wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist der Parameter eine Leistung des Brennstoffzellenstapels, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, eine Zeitspanne, eine Anzahl an Betriebsstunden, eine Menge an verbrauchtem Brennstoff oder eine Menge an produzierter Energie. Alle diese Parameter eignen sich zum Überwachen des Brennstoffzellenstapels. Es können jedoch auch andere Parameter verwendet werden. Bei der Zeitspanne kann es sich um die gesamte Betriebslaufzeit des Brennstoffzellenstapels handeln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens löst das jeweilige Regenerationssignal jeweils einen Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels aus. Dabei ist jeder Regenerationszeitpunkt der jeweilige Endzeitpunkt des Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der jeweilige Endzeitpunkt des vollständig abgeschlossenen Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels. Alternativ könnten die Regenerationszeitpunkte auch jeweils am Beginn des Regenerationszyklus liegen oder ein anderer konkreter Zeitpunkt des Regenerationszyklus kann festgelegt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird ein Umgebungsparameter bei der Erstellung des Sollparameterwerts berücksichtigt. Ein solcher Umgebungsparameter kann z.B. die Umgebungstemperatur, der Luftdruck oder die Luftfeuchtigkeit sein. Der Umgebungsparameter kann die Funktion des Brennstoffzellenstapels beeinflussen. Deswegen kann man den Umgebungsparameter auch bei der Erstellung des Sollparameterwerts berücksichtigen. Alternativ können auch mehrere Umgebungsparameter gleichzeitig berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß wird die Referenz durch zuvor bestimmte Regenerationszeitintervalle erstellt. Dabei wird das Störungssignal ausgegeben, falls ein Regenerationszeitintervall im Vergleich zu der Referenz eine Abweichung aufweist, welche über einem Grenzwert liegt. Bei dem Regenerationszeitintervall, welches mit der Referenz verglichen wird, kann es sich insbesondere um das zuletzt bestimmte Regenerationszeitintervall handeln. Dadurch können insbesondere kurzfristige Störungen des Brennstoffzellenstapels erkannt werden. Die zuvor bestimmten Regenerationszeitintervalle können zum Beispiel gemessen worden sein. Alternativ könnten die zuvor bestimmten Regenerationszeitintervalle auch berechnet worden sein. Bei den zuvor bestimmten Regenerationszeitintervallen kann insbesondere ein Mittelwert gebildet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird die Funktion der Regenerationszeitintervalle als ein zeitlicher Verlauf der bestimmten Regenerationszeitintervalle erstellt. Dabei wird eine Steigung der Funktion berechnet, wobei ein Störsignal ausgegeben wird, falls die berechnete Steigung oberhalb oder unterhalb eines Grenzwerts liegt. Die Steigung ist eine Ableitung der Funktion nach der Zeit. Die Steigung kann auch nur von einem Bereich der Funktion bestimmt werden, z.B. insbesondere von einem Endbereich. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn sich über den gesamten Funktionsverlauf keine einheitliche Steigung ermitteln lässt. Mittels der berechneten Steigung kann erkannt werden, ob eine Störung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels vorliegt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird die Funktion der Regenerationszeitintervalle als ein zeitlicher Verlauf der bestimmten Regenerationszeitintervalle extrapoliert, um eine Diagnose für den zukünftigen Verlauf der Regenerationszeitintervalle zu erstellen. Zum Beispiel kann aus einem Verlauf der Regenerationszeitintervalle von zuerst 6 Stunden, dann 5 Stunden und dann 4 Stunden geschlossen werden, dass das nächste Regenerationszeitintervall kleiner oder gleich 4 Stunden ist. Es kann mit der Diagnose eine Vorhersage über die Länge der zukünftigen Regenerationszeitintervalle getroffen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens wird ein Umgebungsparameter bei der Erstellung der Referenz oder der Referenzfunktion berücksichtigt. Der Umgebungsparameter kann z.B. die Umgebungstemperatur, der Luftdruck oder die Luftfeuchtigkeit sein. Der Umgebungsparameter kann die Funktion des Brennstoffzellenstapels beeinflussen. Deswegen kann man den Umgebungsparameter auch bei der Erstellung der Referenz oder der Referenzfunktion berücksichtigen. Alternativ können auch mehrere Umgebungsparameter gleichzeitig berücksichtigt werden.
Darüber hinaus ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens durchzuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren erläutert worden sind.
Weiter wird eine Diagnosevorrichtung zum Erkennen von Störungen eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Die Diagnosevorrichtung umfasst ein Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul zum Bestimmen mehrerer Regenerationszeitpunkte, wobei ein Regenerationszeitpunkt bei jeweils einem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels bestimmbar ist, und wobei das Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul eingerichtet ist, die Regenerationszeitpunkte zeitlich nacheinander zu bestimmen, ein Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul zum Bestimmen von jeweils einem Regenerationszeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten, ein Vergleichsmodul zum Vergleichen der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz und/oder Vergleichen einer Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion, um Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, und ein Ausgabemodul zum Ausgeben eines Störungssignals auf Basis des Vergleichsergebnisses des Vergleichsmoduls, dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerationszeitpunkte-Bestim- mungsmodul und/oder das Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul und/oder das Vergleichsmodul und/oder das Ausgabemodul derart ausgestaltet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
Vorzugsweise sind das Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul, das Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul, das Vergleichsmodul und das Ausgabemodul für eine Durchführung eines erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens ausgebildet.
Dadurch, dass das Vergleichsmodul die Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz und/oder die Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion vergleichen kann, ist es möglich, auf Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu schließen. Die Referenz bzw. die Referenzfunktion beschreiben den Brennstoffzellenstapel, wie man es bei einem normalen Verlauf erwarten würde. Bei einem normalen Verlauf erwartet man eine reversible Degradation mit der Zeit. Abweichungen von diesem normalen Verlauf können dann als Störungen des Brennstoffzellenstapels erkannt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Diagnosevorrichtung weist die Diagnosevorrichtung ein Parameter-Überwachungsmodul zum Überwachen eines Parameters des Brennstoffzellenstapels und zum Übermitteln des Werts des Parameters an das Re- generationszeitpunkte-Bestimmungsmodul auf. Aufgrund des Parameter-Überwa- chungsmoduls ist es möglich einen Parameter zu überwachen, der für die Bestimmung der Regenerationszeitpunkte relevant ist. Bei dem Parameter kann es ich z.B. um eine Leistung des Brennstoffzellenstapels, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, eine Zeitspanne, eine Anzahl an Betriebsstunden, eine Menge an verbrauchtem Brennstoff oder eine Menge an produzierter Energie handeln.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung; und
Fig. 2 eine Ansicht eines Graphs von Regenerationszeitintervallen, welche gegen die Zeit aufgetragen sind, bzw. einer Funktion der Regenerationszeitintervalle, welche in Abhängigkeit der Zeit angegeben ist.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung 10. Die Diagnosevorrichtung 10 dient zum Erkennen von Störungen eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Dabei weist die Diagnosevorrichtung 10 ein Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul 20, ein Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul 30, ein Vergleichsmodul 40 und ein Ausgabemodul 50 auf. Optional kann die Diagnosevorrichtung 10 auch ein Parameter-Überwa- chungsmodul 60 umfassen.
Mit dem Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul 20 können mehrere Regenerationszeitpunkte bestimmt werden. Dazu kann das Regenerationszeitpunkte-Bestim- mungsmodul 20 bei jedem Regenerationszyklus, d.h. bei jeder Erneuerung des Brennstoffzellenstapels, einen Regenerationszeitpunkt bestimmen. Demnach ist das Rege- nerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul 20 dazu eingerichtet, die Regenerationszeitpunkte zeitlich nacheinander zu bestimmen.
Das Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul 30 empfängt die Regenerationszeitpunkte von dem Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul 20. Mit dem Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul 30 können die Regenerationszeitintervalle zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten bestimmt werden.
Das Vergleichsmodul 40 empfängt die Regenerationszeitintervalle von dem Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul 30. Dabei dient das Vergleichsmodul 40 zum Vergleichen der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz. Alternativ oder zusätzlich dient das Vergleichsmodul 40 zum Vergleichen einer Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion. Die Abweichungen der Regenerationszeitintervalle von der Referenz und/oder die Abweichungen der Funktion der Regenerationszeitintervalle von der Referenzfunktion können eine Störung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels erkennbar machen. Das Ausgabemodul 50 empfängt das Vergleichsergebnis von dem Vergleichsmodul 40. Weiter kann ein Störungssignal auf Basis des Vergleichsergebnisses des Vergleichsmoduls 40 mit dem Ausgabemodul 50 ausgegeben werden. In Fig. 1 ist die Ausgabe des Störungssignals 70 mit einem Pfeil dargestellt. Dabei kann die Ausgabe des Störungssignals 70 z.B. an einen Lautsprecher erfolgen, um akustisch ausgegeben zu werden, an einen Bildschirm gesendet werden, um eine bildliche Darstellung zu ermöglichen, oder an einen Computer zur Weiterverarbeitung des Störungssignals gesendet werden.
Die Diagnosevorrichtung 10 kann optional ein Parameter-Überwachungsmodul 60 aufweisen. Das Parameter-Überwachungsmodul 60 überwacht einen Parameter des Brennstoffzellenstapels und übermittelt den Wert des Parameters an das Regenerati- onszeitpunkte-Bestimmungsmodul 20. Dabei kann das Parameter-Überwachungsmodul 60 den Wert des Parameters kontinuierlich überwachen und übermitteln. Alternativ kann das Parameter-Überwachungsmodul 60 den Wert des Parameters auch in festgelegten Zeitabständen überwachen und übermitteln.
Das Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul 20 vergleicht den Wert des Parameters mit einem zuvor bestimmten Sollparameterwert. Übersteigt der Wert des Parameters den Sollparameterwert, dann wird ein Regenerationssignal ausgelöst. Das Regenerationssignal startet einen Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels, d.h. eine Erneuerung des Brennstoffzellenstapels zum Rückgängigmachen der reversiblen Degradation des Brennstoffzellenstapels. Bei jedem Regenerationszyklus wird ein Regenerationszeitpunkt bestimmt. Die Regenerationszeitpunkte werden immer an der gleichen Stelle des jeweiligen Regenerationszyklus bestimmt. Zum Beispiel kann der jeweilige Regenerationspunkt immer am das Ende des jeweiligen vollständig abgeschlossenen Regenerationszyklus bestimmt werden. Es ist jedoch auch ein anderer Zeitpunkt des Regenerationszyklus möglich.
Alternativ kann in manchen Fällen auch ein Regenerationssignal ausgelöst werden, wenn der Wert des Parameters einen zuvor bestimmten Sollparameterwert unterschreitet.
Der überwachte Parameter des Brennstoffzellenstapels kann z.B. eine Leistung des Brennstoffzellenstapels, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, eine Zeitspanne, eine Anzahl an Betriebsstunden, eine Menge an verbrauchtem Brennstoff oder eine Menge an produzierter Energie sein.
Mit der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung kann insbesondere das folgende Diagnoseverfahren ausgeführt werden. Das Diagnoseverfahren umfasst die folgenden Schritte:
In einem ersten Schritt werden mehrerer Regenerationszeitpunkte bestimmt. Bei jedem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels wird jeweils ein Regenerationszeitpunkt bestimmt. Somit liegen die Regenerationszeitpunkte zeitlich gesehen nacheinander.
In einem zweiten Schritt werden die Regenerationszeitintervalle bestimmt. Es wird immer ein Regenerationszeitintervall bei zwei aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten bestimmt.
In einem dritten Schritt werden die Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz verglichen. Alternativ oder zusätzlich wird eine Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion verglichen. Durch den Vergleich können Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels erkannt werden.
In einem vierten Schritt kann ein Störungssignal auf Basis des Vergleichsergebnisses ausgegeben werden.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Graphs. Dargestellt sind Regenerationszeitintervalle RI, welche gegen die Zeit t aufgetragen sind, bzw. eine Funktion der Regenerationszeitintervalle F(t), welche in Abhängigkeit der Zeit t angegeben ist. Die Werte der einzelnen Regenerationszeitintervalle RI sind in dem Graph als Punkte eingezeichnet. Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, nimmt der Wert der Regenerationszeitintervalle RI mit der Zeit t ab. Sinkt der Wert eines Regenerationszeitintervalls RI unter den Wert einer Referenz, dann kann ein Störungssignal ausgegeben werden.
Fig. 2 zeigt weiter eine Funktion der Regenerationszeitintervalle F(t), welche eine negative Steigung aufweist. Die Funktion der Regenerationszeitintervalle F(t) kann mit einer Referenzfunktion verglichen werden. Bei Abweichungen kann ein Störungssignal ausgegeben werden. Insbesondere kann die Steigung der Funktion der Regenerationszeitintervalle F(t) mit der Steigung einer Referenzfunktion verglichen werden. Wie in der Fig. 2 zu sehen ist, kann die Funktion der Regenerationszeitintervalle F(t) extrapoliert werden. Diese Extrapolation E(t) erlaubt eine Diagnose für den zukünftigen Verlauf der Regenerationszeitintervalle. Damit kann abgeschätzt werden, wie lange die zukünftigen Regenerationszeitintervalle vermutlich sein werden. Somit kann wiederum abgeschätzt werden, wann es zu einer Erneuerung des Brennstoffzellenstapels kommen sollte.
Die Umgebungsparameter des Brennstoffzellenstapels, wie z.B. die Temperatur, der Luftdruck, die Luftfeuchtigkeit usw., können bei der Erstellung der Referenz und/oder der Referenzfunktion berücksichtigt werden. Weiter können die Umgebungsparameter bei der Erstellung des Sollparameters berücksichtigt werden. Somit können die Einflüsse der Umgebungsparameter auf den Brennstoffzellenstapel herausgerechnet werden.
Bezugszeichenliste
10 Diagnosevorrichtung
20 Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul
30 Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul
40 Vergleichsmodul
50 Ausgabemodul
60 Parameter-Überwachungsmodul
70 Ausgabe des Störungssignals
RI Regenerationszeitintervalle t Zeit
F(t) Funktion der Regenerationszeitintervalle
E(t) Extrapolation

Claims

Patentansprüche
1 . Diagnoseverfahren zum Erkennen von Störungen eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- Bestimmen mehrerer Regenerationszeitpunkte, wobei ein Regenerationszeitpunkt bei jeweils einem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird, und wobei die Regenerationszeitpunkte zeitlich nacheinander liegen,
- Bestimmen von jeweils einem Regenerationszeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten,
- Vergleichen der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz und/oder Vergleichen einer Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion, um Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, und
- Ausgeben eines Störungssignals auf Basis des Vergleichsergebnisses dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz durch zuvor bestimmte Regenerationszeitintervalle erstellt wird, und das Störungssignal ausgegeben wird, falls ein Regenerationszeitintervall im Vergleich zu der Referenz eine Abweichung aufweist, welche über einem Grenzwert liegt.
2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder Regenerationszeitpunkt bestimmt wird, indem ein Parameter des Brennstoffzellenstapels laufend überwacht wird, und bei unterschreiten oder überschreiten eines Werts des Parameters im Vergleich zu einem Sollparameterwert ein Regenerationssignal ausgelöst wird.
3. Diagnoseverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine Leistung des Brennstoffzellenstapels, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, eine Zeitspanne, eine Anzahl an Betriebsstunden, eine Menge an verbrauchtem Brennstoff oder eine Menge an produzierter Energie ist.
4. Diagnoseverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Regenerationssignal jeweils einen Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels auslöst, und jeder Regenerationszeitpunkt der jeweilige Endzeitpunkt des Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels ist.
5. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Regenerationszeitintervalle als ein zeitlicher Verlauf der bestimmten Regenerationszeitintervalle erstellt wird, und eine Steigung der Funktion berechnet wird, wobei ein Störsignal ausgegeben wird, falls die berechnete Steigung oberhalb oder unterhalb eines Grenzwerts liegt.
6. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Regenerationszeitintervalle als ein zeitlicher Verlauf der bestimmten Regenerationszeitintervalle extrapoliert wird, um eine Diagnose für den zukünftigen Verlauf der Regenerationszeitintervalle zu erstellen.
7. Diagnoseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Umgebungsparameter bei der Erstellung der Referenz oder der Referenzfunktion berücksichtigt wird/werden.
8. Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Diagnoseverfahrens mit Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Diagnosevorrichtung (10) zum Erkennen von Störungen eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, aufweisend ein Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul (20) zum Bestimmen mehrerer Regenerationszeitpunkte, wobei ein Regenerationszeitpunkt bei jeweils einem Regenerationszyklus des Brennstoffzellenstapels bestimmbar ist, und wobei das Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul (20) eingerichtet ist, die Regenerationszeitpunkte zeitlich nacheinander zu bestimmen, ein Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul (30) zum Bestimmen von jeweils einem Regenerationszeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Regenerationszeitpunkten, ein Vergleichsmodul (40) zum Vergleichen der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenz und/oder Vergleichen einer Funktion der Regenerationszeitintervalle mit einer Referenzfunktion, um Störungen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zu erkennen, und ein Ausgabemodul (50) zum Ausgeben eines Störungssignals auf Basis des Vergleichsergebnisses des Vergleichsmoduls (40), dadurch gekennzeichnet, dass das Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul (20) und/oder das Regenerationszeitintervall-Bestimmungsmodul (30) und/oder das Vergleichsmodul (40) und/oder das Ausgabemodul (50) derart ausgestaltet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
10. Diagnosevorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnosevorrichtung (10) ein Parameter-Überwachungsmodul (60) zum Überwachen eines Parameters des Brennstoffzellenstapels und zum Übermitteln des Werts des Parameters an das Regenerationszeitpunkte-Bestimmungsmodul (20) aufweist.
PCT/AT2024/060332 2023-09-05 2024-09-04 Diagnoseverfahren zum erkennen von störungen eines brennstoffzellenstapels WO2025050151A1 (de)

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