DE102007058424B4

DE102007058424B4 - System und Verfahren zur Umverteilung der Strömung von Brennstoff unter Fehlerbedingungen in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007058424B4
Application number: DE102007058424A
Authority: DE
Inventors: Frank Leo; Kiran Mallavarapu; Lihling Tzuu
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: DE102007058424A1; US9231260B2; US20080138689A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, mit:
einem Brennstoffzellenstapel;
einem Brennstofftank zur Speicherung von Brennstoff;
einer Vielzahl von Brennstoffinjektoren, die nacheinander Brennstoff von dem Brennstofftank an den Brennstoffzellenstapel liefern; und
einem Controller zur Bestimmung, ob ein Fehlerzustand in einem der Vielzahl von Brennstoffinjektoren vorhanden ist, wobei der Controller in der Lage ist, die Strömung von Brennstoff von einem ersten Injektor zu einem zweiten Injektor umzuverteilen, wenn der Fehlerzustand in dem ersten Injektor vorhanden ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Umverteilung der Strömung von Brennstoff, wie H₂, unter Fehlerbedingungen in einem Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem typischen Brennstoffzellensystem besitzt jeder Brennstoffzellenstapel mehrere H₂-Versorgungsventile oder -Injektoren, um Wasserstoff an die Anodenseite des PEM-Brennstoffzellenstapels zu liefern. Es werden mehrere Injektoren verwendet, um die Strömung und den Druck von Wasserstoff von Leerlauf bis Vollleistung genau zu steuern. Wenn alle Injektoren geschlossen sind, strömt kein H₂, und die Brennstoffzellenleistungsabgabe ist Null. Wenn alle Injektoren offen sind, strömt die maximale Menge an H₂ und die Brennstoffzelle gibt maximale Leistung ab. In dem Fall, wenn das Brennstoffzellensystem fünf Injektoren besitzt und alle fünf Injektoren dieselbe Größe besitzen, wird der nächste Injektor geöffnet, wenn der/die vorherigen) Injektor(en) zu 100% offen sind. Jeder Injektor steuert daher 20% der Vollleistung bei. Die gewünschte H₂-Strömung wird gegenüber einer oberen Grenze einer maximal möglichen Strömung auf Grundlage gegenwärtiger Temperatur- und Druckbedingungen geprüft. Der minimale Wert des gewünschten Sollwerts und die maximal mögliche Strömung werden für den ersten Injektor verwendet, und der Rest der Strömung wird den anderen Injektoren zugeordnet. Dieselbe Vorgehensweise wird dazu verwendet, die Strömung für den zweiten Injektor usw. zuzuordnen.
Wenn einer der Injektoren ausfällt, ist die Systemleistungsfähigkeit stark davon abhängig, welcher der fünf Injektoren ausfällt. Wenn der erste Injektor ausfällt und nicht mehr in der Lage ist, zu öffnen, dann hat jegliche angeforderte Strömung unter 20% keine Strömung zur Folge. Dies bewirkt, dass die Brennstoffzelle die Erzeugung von Leistung beendet. Wenn der zweite Injektor ausfällt, dann ist der Betrieb zwischen 0–20% und 40%–100% eingeschränkt. Wenn ähnlicherweise der dritte Injektor ausfällt, dann ist der Betrieb zwischen 0–40% und 60%–100% eingeschränkt. Somit besteht eine Aufgabe darin, ein Verfahren für die Umverteilung der H₂-Strömung vorzusehen, das die inhärenten Probleme in Verbindung mit dem Ausfall eines oder mehrerer Injektoren in einem Brennstoffzellensystem und die damit zugeordnete Einschränkung von Leistung löst.
Eine Lösung für diese Aufgabe ist bislang nicht bekannt. Auch in der Common-Rail-Technologie, bei der Kraftstoff mit Injektoren in die Brennkammern eines Motors eingespritzt wird, ist für die Lösung dieser Aufgabe kein Hinweis zu finden. Beispielsweise beschreibt die US 7,007,676 B1 ein Common-Rail-System, das den Kraftstoffdruck im Common-Rail überwacht, um bei Abweichungen vom Solldruck geeignete Maßnahmen ergreifen zu können. Eine Einzelüberwachung der Injektoren ist jedoch nicht angedacht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel; einen Brennstofftank zur Speicherung von Brennstoff; eine Vielzahl von Brennstoffinjektoren, die nacheinander Brennstoff von dem Brennstofftank an den Brennstoffzellenstapel liefern; und einen Controller zur Bestimmung, ob in einem der Vielzahl von Brennstoffinjektoren ein Fehlerzustand vorhanden ist, und wobei, wenn dies der Fall ist, der Controller die Strömung von Brennstoff von einem ersten Injektor zu einem zweiten Injektor umverteilt, wenn der Fehlerzustand in dem ersten Injektor vorhanden ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Umverteilung der Strömung von Brennstoff unter Fehlerbedingungen in einem Brennstoffzellensystem die Schritte, dass:
bestimmt wird, ob ein Fehlerzustand in einem ersten Injektor einer Vielzahl von Injektoren des Brennstoffzellensystems vorhanden ist, und
die Strömung von Brennstoff von dem einem der Vielzahl von Injektoren zu einem zweiten Injektor umverteilt wird, wenn der Fehlerzustand in dem ersten Injektor vorhanden ist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems ist, das zumindest einen Brennstoffinjektor und einen Controller aufweist, der das Verfahren der Erfindung implementiert; und
2 ein Flussdiagramm ist, das die durch den Controller in 1 durchgeführten Schritte zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun Bezug nehmend auf 1 weist ein Brennstoffzellensystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 12, einen Brennstofftank 14 zur Speicherung von Brennstoff, einen Brennstoffregler 16 und mehrere Brennstoffinjektoren 18 zur Lieferung von Brennstoff von dem Brennstofftank 14 an den Brennstoffzellenstapel 12 auf. Der Einfachheit halber ist in 1 nur ein einzelner Injektor 18 gezeigt. Typischerweise werden jedoch eine Vielzahl von Injektoren 18 verwendet, um den Brennstoff nacheinander in den Brennstoffzellenstapel 12 einzuspritzen. Ein Drucksensor 20 erzeugt Drucksignale, die von einem Controller 22 verwendet werden, um einen ausgefallenen Regler zu diagnostizieren. Der Controller 22 kann einen Druckabfall erfassen und eine oder mehrere geeignete Aktionen unternehmen, die ein Abschalten, ein Einschalten einer Hinweiseinrichtung oder andere Aktionen aufweisen können. Typischerweise wird die Strömung von Brennstoff, wie H₂, an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert, während Luft (oder O₂) an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird. Es sei angemerkt, dass die Erfindung nicht durch den Typ von Brennstoff eingeschränkt ist und dass die Erfindung mit einem beliebigen gewünschten Typ von Brennstoff ausgeführt werden kann, der durch den Brennstoffzellenstapel 12 verwendet werden kann.
Der Controller 22 weist eine elektronische Schaltung 24 sowie eine Steueralgorithmussoftware 26 auf. Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren für die Umverteilung der H₂-Strömung bereitzustellen, die die inhärenten Probleme in Verbindung mit einem Ausfall eines oder mehrerer Injektoren 18 lösen und das durch die Steueralgorithmussoftware 26 des Controllers 22 implementiert ist.
Allgemein kann ein Ausfall des Injektors 18 in zwei potentiellen Ausfallmechanismen resultieren: 1) einem offenen Zustand und 2) einem geschlossenen Zustand. Ein Ausfallmechanismus mit offenem Zustand des Injektors 18 betrifft denjenigen Zustand, bei dem der Injektor 18 in einem Zustand ausfällt, der für eine maximal mögliche H₂-Strömung durch den Injektor 18 auf Grundlage von Temperatur- und Druckbedingungen und der Konstruktion des Injektors 18 sorgt. Ein Ausfallmechanismus mit geschlossenem Zustand des Injektors 18 betrifft denjenigen Zustand, bei dem der Injektor 18 in einem Zustand ausfällt, der für Null H₂-Strömung durch den Injektor 18 sorgt.
Die elektronische Schaltung in dem Controller 22 ist in der Lage, die folgenden Zustände jedes Injektors 18 zu detektieren: einen ”normalen” Zustand, einen ”Leerlauf”-Zustand, einen ”Stromschluss”-Zustand und einem ”Masseschluss”-Zustand. In dem Fall eines Normalbetriebs wird jeder Injektor 18 in der Abfolge auf Grundlage der angeforderten Gesamt-H₂-Strömung, die erforderlich ist, geöffnet, wie oben beschrieben ist. Wenn der Injektor 18 als in einem ”Leerlauf”-Zustand befindlich detektiert wird, befindet sich der Injektor 18 in dem Fehlermechanismus mit geschlossenem Zustand, in dem kein Strom durch den Injektor 18 fließen kann und daher keine Wasserstoffströmung möglich ist. Wenn der Injektor 18 als in einem ”Stromschluss”- oder einem ”Masseschluss”-Zustand befindlich detektiert wird, resultiert jeder der Fehler in nur einem der Fehlerzustände – einem Fehlermechanismus mit geschlossenem Zustand oder einem Fehlermechanismus mit geöffnetem Zustand, und zwar auf Grundlage der konstruierten elektronischen Schaltung. Beispielsweise ist bei einer möglichen Konstruktion der elektronischen Schaltung das Resultat des Fehlerzustandes mit ”Stromschluss” ein Fehlermechanismus mit geschlossenem Zustand, so dass kein Strom durch den Injektor 18 fließen kann und daher keine Wasserstoffströmung möglich ist, und das Resultat des Fehlerzustands mit ”Masseschluss” ist ein Fehlermechanismus mit offenem Zustand, bei dem die maximale Wasserstoffströmung vorhanden ist.
Durch Verwendung der Information der vier Fehlerzustände – ”Normal”, ”Leerlauf', ”Stromschluss” und ”Masseschluss” – wird die gewünschte H₂-Strömungsanforderung dazu verwendet, gegebenenfalls die zusätzlichen Strömungsanforderungen an den nächsten Injektor in der Abfolge zu leiten. Bei diesem Betriebsverfahren wird bei einem Brennstoffzellensystem mit fünf (5) Injektoren, wenn einer der Injektoren ausfällt, ein Betrieb bis zu 80% vorgesehen. Wenn beliebige zwei der Injektoren 18 ausfallen, wird ein Betrieb von bis zu 60% vorgesehen. Dies stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen Betriebsverfahren vor, das einen Betriebsausfall bewirken konnte, wenn der erste Injektor ausgefallen war, und einen großen Leistungsspalt bewirken konnte, wenn der zweite Injektor ausgefallen war. Wenn der Injektor 18 als mit Masseschluss schadhaft detektiert wird, bedeutet dies, dass der Injektor 18 stets eingeschaltet ist. Dies begrenzt effektiv den Betrieb auf Leistungsniveaus über 20%. Durch Kenntnis, dass der Injektor 18 stets offen ist, berücksichtigt der Algorithmus der Erfindung diese zusätzliche Strömung und kann den Betrieb der Brennstoffzelle auf jedem Niveau oberhalb dieser Grenze erfolgreich steuern.
Nun Bezug nehmend auf 2 sind beispielhafte Schritte für die Umverteilung der Wasserstoffströmung in dem Brennstoffsystem 10 unter Fehlerbedingungen gezeigt. Der Einfachheit halber ist das Verfahren der Erfindung für ein Brennstoffsystem 10 beschrieben, das drei Injektoren 18a, 18b, 18c aufweist. Es sei jedoch angemerkt, dass die Grundsätze der Erfindung nicht auf ein Brennstoffsystem mit drei Injektoren beschränkt sind, und dass die Grundsätze der Erfindung auf ein Injektor-Brennstoffzellensystem mit einer beliebigen gewünschten Anzahl von Injektoren 18 angewendet werden kann.
Der Controller 22 bestimmt bei den Schritten S2.1 und S2.2, ob bei dem ersten Injektor 18a ein ”Leerlauf”- oder ein ”Stromschluss”-Zustand vorhanden ist. Wie oben erwähnt ist, ist dann, wenn eine dieser Bedingungen erfüllt ist, keine H₂-Strömung von dem ersten Injektor 18a möglich, und der Controller 22 setzt die Strömung von dem ersten Injektor 18a auf Null.
Wenn andererseits der Controller 22 bei dem Schritt S2.3 bestimmt, dass der erste Injektor 18a in einem ”Masseschluss”-Zustand ist, dann setzt der Controller 22 bei Schritt S2.4 die H₂-Strömung von dem ersten Injektor 18a auf die maximale H₂-Strömung. Die maximale H₂-Strömung pro Injektor wird von dem Controller 22 bei Schritt S2.5 durch Division der Gesamt-H₂-Strömung durch die Anzahl von Injektoren 18 bestimmt. Beispielsweise beträgt bei dem gezeigten Verfahren die maximale H₂-Strömung pro Injektor 33,3% (100%/3 Injektoren). Dieser Wert wird so bestimmt, dass er für jeden Injektor 18 gleich ist. Bei Schritt S2.5 bestimmt der Controller 22 auch die gewünschte H₂-Strömung in Mol, wie durch das Brennstoffsystem 10 angefordert ist.
Bei Schritt S2.12 bestimmt der Controller 22 die angewiesene H₂-Strömung in Mol für den ersten Injektor 18a. Wenn bestimmt wird, dass der erste Injektor 18a sich entweder in dem ”Leerlauf”-Zustand oder dem ”Stromschluss”-Zustand befindet, dann wird die angewiesene H₂-Strömung als Null bestimmt. Wenn bestimmt wird, dass sich der erste Injektor 18a in einem ”Masseschluss”-Zustand befindet, dann wird die angewiesene H₂-Strömung als die maximale H₂-Strömung pro Injektor (in diesem Fall 33,3%) bestimmt. Der erste Injektor 18s wird als in einem ”normalen” Zustand bzw. einer ”normalen” Verfassung befindlich bestimmt, wenn der erste Injektor 18s nicht als in einem ”Leerlauf”-Zustand, einem ”Stromschluss”-Zustand oder einem ”Masseschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, und die angewiesene H₂-Strömung ist das Minimum zwischen der maximalen H₂-Strömung pro Injektor (in diesem Fall 33,3%) und der gewünschten Gesamt-H₂-Strömung in Mol.
Bei Schritt S2.15 bestimmt der Controller 22 die Differenz zwischen der gewünschten H₂-Strömung und der angewiesenen H₂-Strömung und übermittelt diesen Wert an den nächsten Injektor 18 in dem Brennstoffsystem 10. Dieser Aspekt der Erfindung ermöglicht die Umverteilung der H₂-Strömung unter Fehlerbedingungen eines Injektors 18 im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffsystemen. Wenn beispielsweise der erste Injektor 18a als entweder in dem ”Leerlauf”- oder dem ”Stromschluss”-Zustand befindlich bestimmt ist, dann wird die angewiesene H₂-Strömung als Null bestimmt. Wenn die gewünschte Gesamt-H₂-Strömung beispielsweise als 20% bestimmt wird, dann wird die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung und der gewünschten Gesamt-H₂-Strömung bei Schritt S2.15 als 20% bestimmt. Dieser Wert von 20% wird dann an den nächsten Injektor in der Abfolge, d. h. den zweiten Injektor 18b, übermittelt, wie unten beschrieben ist. Wenn der erste Injektor 18a als in einem ”normalen” Zustand befindlich bestimmt ist, dann ist die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung und der gewünschten H₂-Strömung, die durch den Controller 22 bei Schritt S2.15 bestimmt wird, Null.
Ähnlich zu dem ersten Injektor 18a bestimmt der Controller 22, ob sich der zweite Injektor 18b in einem ”Leerlauf”-Zustand, einem ”Stromschluss”-Zustand, einem ”Masseschluss”-Zustand oder einem ”normalen” Zustand befindet. Wenn der zweite Injektor 18b bei Schritt S2.6 als in dem ”Leerlauf”-Zustand befindlich oder bei Schritt S2.7 als in dem ”Stromschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird die angewiesene H₂-Strömung bei Schritt S2.13 auf Null gesetzt. Wenn der zweite Injektor 18b bei Schritt S2.8 als in dem ”Masseschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird die angewiesene H₂-Strömung bei Schritt S2.13 auf die maximale H₂-Strömung pro Injektor (in diesem Fall 33,3%) gesetzt. Ansonsten bestimmt der Controller 22, dass sich der zweite Injektor 18b in dem ”normalen” Zustand befindet.
Wie oben erwähnt ist, bestimmt der Controller 22 bei Schritt S2.15 die Differenz zwischen der gewünschten H₂-Strömung und der angewiesenen H₂-Strömung und übermittelt diesen Wert an den nächsten Injektor 18 in dem Brennstoffsystem 10. Wenn der zweite Injektor 18b als in dem ”normalen” Zustand befindlich bestimmt wird, dann bestimmt der Controller 22 den minimalen Wert zwischen der Differenz zwischen der gewünschten H₂-Strömung und der angewiesenen H₂-Strömung des ersten Injektors 18a und der maximalen H₂-Strömung pro Injektor (in diesem Fall 33,3% bei Schritt S2.4). Die angewiesene H₂-Strömung für den zweiten Injektor 18b wird bei Schritt S2.13 auf diesen minimalen Wert gesetzt.
Ähnlich zu Schritt S2.15 des ersten Injektors 18a bestimmt der Controller 22 bei Schritt S2.16 die Differenz zwischen der gewünschten H₂-Strömung und der angewiesenen H₂-Strömung und übermittelt diesen Wert an den nächsten Injektor 18 in dem Brennstoffsystem 10. Genauer wird dieser Wert von 20% von dem Controller 22 bei Schritt S2.16 dazu verwendet, den minimalen Wert zu bestimmen, wenn sich der zweite Injektor 18b in dem ”normalen” Zustand befindet, und um die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung und der gewünschten H₂-Strömung des zweiten Injektors 18b zu bestimmen.
Wiederum ermöglicht dieser Aspekt der Erfindung die Umverteilung der H₂-Strömung unter Fehlerbedingungen eines beliebigen Injektors 18 in dem Brennstoffsystem 10 (d. h. des ersten und/oder zweiten Injektors 18a, 18b). Wenn beispielsweise der erste Injektor 18a als entweder in dem ”Leerlauf”- oder dem ”Stromschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird die angewiesene H₂-Strömung als Null bestimmt. Wenn die gewünschte Gesamt-H₂-Strömung beispielsweise als 20% bestimmt wird, dann wird bei Schritt S2.15 die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung und der gewünschten Gesamt-H₂-Strömung als 20% bestimmt. Dieser Wert von 20% wird dann an den zweiten Injektor 18b übermittelt. Wenn der zweite Injektor 18b als in dem ”normalen” Zustand befindlich bestimmt wird, dann ist der minimale Wert, der von dem Controller 22 bestimmt wird, 20% (Minimum von 33,3% und 20%), und die angewiesene H₂-Strömung für den zweiten Injektor 18b ist 20%. Jedoch bestimmt der Controller 22 bei Schritt S2.16, dass die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung (20%) und dem minimalen Wert (20%) gleich Null ist, und dieser Wert wird an den nächsten Injektor 18 (d. h. den dritten Injektor 18c) in der Abfolge übermittelt. Somit verteilt bei diesem Beispiel das Verfahren der Erfindung die H₂-Strömung in dem Fehlerzustand (”Leerlauf”-Zustand oder ”Stromschluss”-Zustand) des ersten Injektors 18a an den zweiten Injektor 18b.
Wenn bei einem anderen Beispiel der erste Injektor 18a als in einem ”Masseschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird die angewiesene H₂-Strömung als gleich der maximalen Strömung pro Injektor (33,3%) bestimmt. Wenn die gewünschte Gesamt-H₂-Strömung als bei spielsweise 40% bestimmt wird, dann wird bei Schritt S2.15 die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung und der gewünschten Gesamt-H₂-Strömung als 7% bestimmt. Dieser Wert von 7% wird dann an den zweiten Injektor 18b übermittelt. Wenn der zweite Injektor 18b als in dem ”normalen” Zustand befindlich bestimmt wird, dann beträgt der von dem Controller 22 bestimmte minimale Wert 7% (Minimum von 33,3% und 7%) und die angewiesene H₂-Strömung für den zweiten Injektor 18b beträgt 7%. Jedoch bestimmt der Controller 22 bei Schritt S2.16, dass die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung (7%) und dem minimalen Wert (7%) gleich Null ist, und dieser Wert wird an den nächsten Injektor 18 (d. h. den dritten Injektor 18c) in der Abfolge übermittelt. Somit ermöglicht das Verfahren der Erfindung, dass der zweite Injektor 18b die H₂-Strömung in dem Fehlerzustand (”Masseschluss”-Zustand) des ersten Injektors 18a umverteilt.
Ähnlich zu dem ersten und zweiten Injektor 18a, 18b bestimmt der Controller 22, ob sich der dritte Injektor 18c in einem ”Leerlauf”-Zustand, einem ”Stromschluss”-Zustand, einem ”Masseschluss”-Zustand oder einem ”normalen” Zustand befindet. Wenn der dritte Injektor 18c bei Schritt S2.9 als in dem ”Leerlauf”-Zustand befindlich oder bei Schritt S2.10 als in dem ”Stromschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird bei Schritt S2.14 die angewiesene H₂-Strömung auf Null gesetzt. Wenn der dritte Injektor 18c bei Schritt S2.11 als in dem ”Masseschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird bei Schritt S2.14 die angewiesene H₂-Strömung auf die maximale H₂-Strömung pro Injektor (in diesem Fall 33,3%) gesetzt. Ansonsten bestimmt der Controller 22, dass sich der dritte Injektor 18c in dem ”normalen” Zustand befindet.
Wie oben beschrieben ist, bestimmt der Controller 22 bei Schritt S2.16 die Differenz zwischen der gewünschten H₂-Strömung und der angewiesenen H₂-Strömung und übermittelt diesen Wert an den nächsten Injektor 18 in dem Brennstoffsystem 10. Wenn der dritte Injektor 18c als in dem ”normalen” Zustand befindlich bestimmt wird, dann bestimmt der Controller 22 den minimalen Wert zwischen der Differenz zwischen der gewünschten H₂-Strömung und der angewiesenen H₂-Strömung des zweiten Injektors 18b von Schritt S2.16 und der maximalen H₂-Strömung pro Injektor (in diesem Fall 33,3% bei Schritt S2.4). Die angewiesene H₂-Strömung für den dritten Injektor 18c wird bei Schritt S2.14 auf diesen minimalen Wert gesetzt.
Wiederum ermöglicht das Verfahren der Erfindung die Umverteilung der H₂-Strömung unter Fehlerbedingungen eines beliebigen Injektors 18 in dem Brennstoffsystem 10. Wenn beispielsweise der erste Injektor 18a als in einem ”Leerlauf”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann wird die angewiesene H₂-Strömung für den ersten Injektor 18a auf Null gesetzt. Wenn die gewünschte Gesamt-H₂-Strömung für das Brennstoffsystem 10 als beispielsweise 25% bestimmt wird, dann wird die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung und der gewünschten Gesamt-H₂-Strömung bei Schritt S2.15 als 25% bestimmt. Dieser Differenzwert von 25% wird dann an den zweiten Injektor 18b übermittelt. Wenn der zweite Injektor 18b als in einem ”Stromschluss”-Zustand befindlich bestimmt wird, dann ist der von dem Controller 22 bestimmte minimale Wert 25% (Minimum von 33,3% und 25%), während die angewiesene H₂-Strömung für den zweiten Injektor 18b gleich Null ist. Jedoch bestimmt der Controller 22 bei Schritt S2.16, dass die Differenz zwischen der angewiesenen H₂-Strömung (0%) und dem minimalen Wert (25%) gleich 25% ist, und dieser Differenzwert wird an den nächsten Injektor 18 (z. B. den dritten Injektor 18c) in der Abfolge übermittelt. Somit verteilt das Verfahren der Erfindung die H₂-Strömung in dem Fehlerzustand (”Leerlauf”-Zustand oder ”Stromschluss”-Zustand) des ersten und zweiten Injektors 18a, 18b um.
Es sei angemerkt, dass das System und das Verfahren der Erfindung die H₂-Strömung in dem Fehlerzustand eines beliebigen Injektors 18 in dem Brennstoffsystem 10 durch Verwendung von Information umverteilen, die in herkömmlichen Brennstoffsystemen verfügbar ist. Das System und das Verfahren der Erfindung sehen eine verbesserte Zuverlässigkeit des Brennstoffsystems durch fortgesetzten Betrieb anderer nicht fehlerbehafteter Injektoren in dem Brennstoffsystem ohne Einfluss auf die Kosten vor.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel; einem Brennstofftank zur Speicherung von Brennstoff; einer Vielzahl von Brennstoffinjektoren, die nacheinander Brennstoff von dem Brennstofftank an den Brennstoffzellenstapel liefern; und einem Controller zur Bestimmung, ob ein Fehlerzustand in einem der Vielzahl von Brennstoffinjektoren vorhanden ist, wobei der Controller in der Lage ist, die Strömung von Brennstoff von einem ersten Injektor zu einem zweiten Injektor umzuverteilen, wenn der Fehlerzustand in dem ersten Injektor vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Fehlerzustand einen ”normalen” Zustand, einen ”Leerlauf”-Zustand, einen ”Stromschluss”-Zustand oder einen ”Masseschluss”-Zustand umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei der Controller bestimmt, dass eine angewiesene Wasserstoffströmung des ersten Injektors gleich Null ist, wenn entweder der ”Leerlauf”-Zustand oder der ”Stromschluss”-Zustand vorhanden ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Controller bestimmt, dass eine angewiesene Strömung von Brennstoff von dem ersten Injektor gleich einer maximalen Strömung von Brennstoff pro Injektor ist, wenn der ”Masseschluss”-Zustand vorhanden ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Controller bestimmt, dass eine angewiesene Strömung von Brennstoff des ersten Injektors gleich einem Minimum zwischen einer maximalen Strömung pro Injektor und einer gewünschten Gesamtströmung von Brennstoff des Brennstoffzellensystems ist, wenn der ”normale” Zustand vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller die Strömung von Brennstoff von dem ersten Injektor durch Bestimmung einer Differenz zwischen einer angewiesenen Strömung von Brennstoff des ersten Injektors und einer gewünschten Gesamtströmung von Brennstoff des Brennstoffzellensystems umverteilen kann.
System nach Anspruch 6, wobei der Controller bestimmt, ob sich der zweite Injektor in dem ”normalen” Zustand befindet, und ein Minimum der Differenz zwischen der angewiesenen Strömung von Brennstoff des ersten Injektors und einer maximalen Strömung von Brennstoff pro Injektor für den zweiten Injektor bestimmt, wenn der ”normale” Zustand vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, wobei der zweite Injektor ein nächster Injektor in der Abfolge zur Lieferung von Brennstoff von dem Brennstofftank an den Brennstoffzellenstapel ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff H₂ umfasst, und wobei H₂ an eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels geliefert wird.
Verfahren zur Umverteilung der Strömung von Brennstoff unter Fehlerbedingungen in einem Brennstoffzellensystem, mit den Schritten, dass: bestimmt wird, ob ein Fehlerzustand in einem ersten Injektor einer Vielzahl von Injektoren des Brennstoffzellensystems vorhanden ist, und die Strömung von Brennstoff von dem einen der Vielzahl von Injektoren an einen zweiten Injektor umverteilt wird, wenn der Fehlerzustand in dem ersten Injektor vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem Schritt, dass bestimmt wird, ob der Fehlerzustand ein ”normaler” Zustand, ein ”Leerlauf”-Zustand, ein ”Stromschluss”-Zustand oder ein ”Masseschluss”-Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt, dass bestimmt wird, dass eine angewiesene Wasserstoffströmung des ersten Injektors gleich Null ist, wenn entweder der ”Leerlauf”-Zustand oder der ”Stromschluss”-Zustand vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt, dass bestimmt wird, dass eine angewiesene Strömung von Brennstoff von dem ersten Injektor gleich einer maximalen Strömung von Brennstoff pro Injektor ist, wenn der ”Masseschluss”-Zustand vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit dem Schritt, dass bestimmt wird, dass eine angewiesene Strömung von Brennstoff des ersten Injektors gleich einem Minimum zwischen einer maximalen Strömung pro Injektor und einer gewünschten Gesamtströmung von Brenn stoff des Brennstoffzellensystems ist, wenn der ”normale” Zustand vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem Schritt, dass eine Differenz zwischen einer angewiesenen Strömung von Brennstoff des ersten Injektors und einer gewünschten Gesamtströmung von Brennstoff des Brennstoffzellensystems bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit dem Schritt, dass bestimmt wird, ob sich der zweite Injektor in dem ”normalen” Zustand befindet, und ein Minimum der Differenz zwischen der angewiesenen Strömung von Brennstoff des ersten Injektors und einer maximalen Strömung von Brennstoff pro Injektor für den zweiten Injektor bestimmt wird, wenn der ”normale” Zustand vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der zweite Injektor ein nächster Injektor in der Abfolge zur Lieferung von Brennstoff von dem Brennstofftank zu dem Brennstoffzellenstapel ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Brennstoff H₂ umfasst und wobei H₂ an eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels geliefert wird.