DE102007060712A1

DE102007060712A1 - Leckdetektion in einem Brennstoffzellensystem

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Publication number: DE102007060712A1
Application number: DE102007060712A
Authority: DE
Inventors: Jon R. Sienkowski; David A. Arthur; Abdullah B. Alp; Prasad Gade; Thomas Weispfenning; Peter Willimowski; Jürgen Thyroff
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2008-10-02
Also published as: US20080141760A1

Abstract

Ein Diagnoseverfahren zum Detektieren von Komponentenstörungen in einem Brennstoffzellen-Anodensubsystem umfasst das Schätzen von Brennstoffströmung durch Injektoren und das Vergleichen der geschätzten Strömung mit einem Modell, das auf den Systemparametern beruht. Ein beobachterbasiertes Modell wird zum Ermitteln eines Restwerts, der Differenz zwischen der Wasserstoffzufuhr und dem verbrauchten Wasserstoff, verwendet, und der Rest wird mit einem Grenzwertbereich verglichen. In anderen Ausführungsformen werden der elektrische Strom des Stapels und der Zustand der Ventile zum Berechnen der erforderlichen Wasserstoffströmung durch die Injektoren verwendet, und der Arbeitszyklus eines Injektors wird mit einem Toleranzbereich verglichen.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren von Wasserstofflecks in der Anode eines Brennstoffzellensystems.
Hintergrund der Erfindung
Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und ein Oxidans in Elektrizität, ein Reaktionsprodukt (beispielsweise Wasser bei einer mit Wasserstoff betriebenen und Sauerstoff oxidierenden Brennstoffzelle) und Wärme um. Bei einer mit Wasserstoff betriebenen und Sauerstoff oxidierenden Brennstoffzelle dringt der Wasserstoff in die Anode ein und der Sauerstoff dringt in die Kathode ein.
Bei Brennstoffzellen für mobile Anwendungen, bei denen Luft zur Verfügung steht, beispielsweise Kraftfahrzeuge, kann es einfacher sein, den Sauerstoff für die Reaktion durch Verwenden dieser Luft bereitzustellen. Dies umgeht die Notwendigkeit, Sauerstoff zusätzlich zu Wasserstoff oder einer Wasserstoffquelle mitzuführen. Das Verwenden von Luft anstelle von reinem Sauerstoff hat aber auch einen Nachteil. Luft enthält neben Sauerstoff viele andere Gase. Stickstoff ist das häufigste Gas in der Atmosphäre, das in etwa dreifünftel von Luft ausmacht. Etwas Stickstoff findet schließlich seinen Weg von der Kathode zur Anode, wo er sich aufbauen kann, was Probleme hervorruft, wenn er nicht beseitigt wird. Er wird im Allgemeinen durch Verwendung eines Abblasventils zum Entweichenlassen des Stickstoffs entfernt. Leider kann auch etwas Wasserstoff entweichen. Da das Freisetzen von Wasserstoff sehr gefährlich sein kann, ist es wichtig sicherzustellen, dass nur eine kleine Menge Wasserstoff entwichen ist und dass Wasserstoff nicht weiter aus der Anode leckt, wenn das Abblasventil geschlossen sein sollte. Leider sind Sensoren zum Detektieren von Wasserstoff in dem Brennstoffzellenabgas sehr teuer, was die Kosten des Brennstoffzelleneinsatzes erhöht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verwendet ein modellbasiertes Vorgehen zum Detektieren, ob Wasserstoff aus der Anode leckt. Dieses Vorgehen umfasst das Feststellen von modellbasierter Leistung einer Brennstoffzelle und das Vergleichen mit der tatsächlichen Leistung. Wenn das Modell zeigt, dass weniger Brennstoff hätte verbraucht werden sollen, als eigentlich verbraucht wurde, wird das Vorliegen eines Lecks angezeigt.
Unter Nutzung üblicher Sensoren zum Überwachen von Anodendruck, Anodentemperatur und Stromerzeugung der Brennstoffzelle, die verbrauchten Wasserstoff messen sollten, und mit einer Möglichkeit zum Ermitteln von Wasserstoffströmung in die Anode ist es möglich zu ermitteln, ob ein Wasserstoffleck vorliegt. Dies ist möglich, da ein Modell die Wasserstoffmenge in der Anode ermitteln kann, wenn ihm der Druck in einer Anode, die Anodentemperatur, die der Anode zugegebene Wasserstoffmenge und die Stromerzeugung der Brennstoffzelle (die die von der Leistungszelle verbrauchte Wasserstoffmenge zeigen können) gegeben wird. Die Ergebnisse können dann mit dem Geschehen über die Zeit verglichen werden, um das Vorliegen eines Lecks zu ermitteln.
Der Brennstoffverbrauch der Brennstoffzelle kann auch mit der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle verglichen werden. Da die Leistungsabgabe für eine vorgegebene Menge zugeführten Brennstoffs bekannt ist, zeigt das Abfallen der Leistungsabgabe im Verhältnis zur Brennstoffzufuhr das Vorhandensein eines Lecks. Zudem kann das Vorliegen einer Bruttospannungsdegradation über die Zeit gezeigt werden. Eine gewisse Anpassung wegen Spannungsdegradation und Schwankung von Stapel zu Stapel kann aber erforderlich sein. Schließlich kann auch der elektrische Strom des Stapels als Leckindikator verwendet werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Detektieren von Brennstofflecks in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle die Schritte des Messens eines Anodendrucks bezogen auf Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor; des Berechnens eines Anodendrucks bezogen auf Brennstoffströmung durch den mindestens einen Injektor; des Ermittelns einer Differenz zwischen dem gemessenen Anodendruck und dem berechneten Anodendruck und des Vergleichens der Differenz mit einem Grenzwert; und des Anzeigens eines Brennstofflecks, wenn die Differenz den Grenzwert überschreitet.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Detektieren von Brennstofflecks in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle die Schritte des Berechnens einer erforderlichen Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor basierend auf einem von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom des Stapels und einem Zustand von Ventilen in dem Anoden-Subsystem; des Erzeugens eines Toleranzbands; des Vergleichens der berechneten erforderlichen Brennstoffströmung mit dem Toleranzband; und des Anzeigens einer Komponentenstörung, wenn die berechnete erforderliche Brennstoffströmung über oder unter dem Toleranzband liegt.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Detektieren von Brennstofflecks in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle die Schritte des Berechnens eines Werts, der Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor in dem Anoden-Subsystem darstellt; des Erzeugens eines Toleranzbands; des Vergleichens des berechneten Werts mit dem Toleranzband; und des Anzeigens einer Komponentenstörung, wenn der berechnete Wert über oder unter dem Toleranzband liegt.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen im Hinblick auf die Begleitzeichnungen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden näheren Beschreibung einer bevorzugten. Ausführungsform hervor. Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Diagramm einer Anode eines Brennstoffzellenstapels;
2 ein schematisches Diagramm des berechneten Modells und des Beobachtermodells für die in 1 gezeigte Anode;
3 eine Kurve des „Rests" von 2, der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem erwarteten Anodendruck einer Brennstoffzelle im Fall eines geöffneten Ventils; und
4 eine Kurve der Ventilstellung des Anodenablassventils im Verhältnis zum Wasserstoffinjektor-Arbeitszyklus bzw. -Schaltverhältnis, der ein gleitendes Mittel des Injektor-Arbeitszyklus umfasst, das mit der Wasserstoffeinlassströmrate korreliert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende nähere Beschreibung sowie die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, dem Fachmann das Durchführen und Verwenden der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und daher ist die Reihenfolge der Schritte nicht wichtig oder ausschlaggebend.
1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanode 10 mit Eingängen und Ausgängen. Ein Eingang 14 ist durch ein Zufuhrventil bzw. einen Injektor 11 mit einer Quelle (einem Tank) für Wasserstoff verbunden. Die Ausgänge umfassen ein Anodendrucksignal 12 und ein Anodentemperatursignal 13. Die Rate von Wasserstoffmolen, die in dem Brennstoffzellenstapel (Ausgang 18) umgewandelt werden, ist proportional zum elektrischen Strom des Stapels. Unter stabilen Bedingungen ist die Umwandlungsrate gleich der Zufuhrrate plus einer kleinen Menge an Wasserstoffdurchtritt zur Kathode. Während des Stapelbetriebs sammelt sich Stickstoff in der Anode 10, und ein Abblasventil 16 wird zum Entfernen des Stickstoffs an einem Ausgang 17 verwendet. Beim Öffnen des Ventils 16 wird eine kleine Menge H₂ aus der Anode 10 abgeblasen. Ferner könnte ein anderes Ventil (ein nicht dargestelltes Ablassventil) mit der Anode 10 zur Druckminderung im Notfall und zum Öffnen der Anode während des Abschaltens/Einschaltens verbunden werden. Ein mögliches Wasserstoffleck wird als Ausgang 15 dargestellt. Eine Freisetzung von Wasserstoff an die Atmosphäre ist unerwünscht, und daher werden Anstrengungen unternommen, eine solche Freisetzung zu vermeiden. Ursa chen für die Freisetzung von Wasserstoff können sein: eine Störung in abblasenden Ablassventilen; Steuerprobleme von Ablassventilen; zu starkes Membranlecken; Lecken aus dem Fahrzeug, beispielsweise durch eine rissige Platte; oder Defekt eines anderen Ausstattungsteils der Anode, einschließlich Schläuche oder andere Anodenventile neben den Abblasventilen.
Der aktuelle Stand der Technik ist ein Wasserstoffdetektionssystem im Auto, das Wasserstoffsensoren verwendet. Zum Detektieren von Wasserstoff in dem Kathodenabgas muss mindestens ein Sensor nahe dem Kathodenabgasauslass angeordnet werden. Die Messung in dem Kathodenabgas direkt erfordert aufgrund der hohen Feuchtigkeit und aufgrund von Wassertropfen in diesem Bereich spezielle Geräte. Die Hauptnachteile der Wasserstoffsensoren sind die hohen Kosten, die relativ späte Detektion von überschüssigem Wasserstoff und die Unfähigkeit, Lecks zu detektieren, die sich nicht in dem Weg befinden, in dem der Wasserstoffsensor angeordnet ist, beispielsweise dem Fahrzeug-Endrohr. Zudem kann eine Messung nahe dem Auslass aufgrund der Verwirbelung am hinteren Ende eines fahrenden Autos nicht alle kritischen Situationen detektieren. Da eine Wasserstoffmessung im Kathodenabgas derzeit sehr schwierig und aufgrund der erforderlichen Sensortechnologie sehr teuer ist, sind Maßnahmen zum Detektieren unerwünschter Wasserstofffreisetzungen aus der Anode erforderlich.
Die vorliegene Erfindung verwendet ein modellbasiertes Vorgehen zum Detektieren des Entweichens von Wasserstoff. Das Nutzen üblicher Sensoren zum Überwachen von Anodendruck, Anodentemperatur und Stromerzeugung der Brennstoffzelle lässt eine Messung von verbrauchtem Wasserstoff zu. Mit einer Möglichkeit zum Ermitteln von Wasserstoffeinströmen, beispielsweise durch ein Modell für einen Brennstoffeinlass, das das Wasserstoffeinströmen ermitteln kann, oder bei Verwendung von Injektoren ermitteln die Injektoren exakt, wie viel Wasserstoff in eine Anode gegeben wird. Sobald die Variablen bekannt sind, ist es möglich zu ermitteln, ob ein Wasserstoffleck vorliegt. Dies ist möglich, da ein Modell ermitteln kann, ob die Wasserstoffmenge, die in die Anode eingedrungen ist und sich nicht langer in der Anode befindet, eine adäquate Menge zum Erzeugen des elektrischen Stroms war oder nicht. Dies kann basierend auf dem Anodendruck unter Berücksichtigung von Temperatur, zugegebenem Kraftstoff und Stromerzeugung bei Nichtvorliegen eines Lecks ermittelt werden, und die Ergebnisse können mit dem tatsächlich Geschehen über die Zeit verglichen werden, um das Vorhandensein eines Lecks zu zeigen. Wenn die Menge an Brennstoff in der Anode relativ konstant gehalten wird, wird ein Leck einfach durch Vergleichen des Verhältnisses der der Anode zugegebenen Brennstoffmenge und des erzeugten elektrischen Stroms mit dem Verhältnis, das bei den Betriebsbedingungen erwartet werden würde, gezeigt.
Das Voraussagen des Anodendrucks wird durch die Verwendung der Gleichung für ein ideales Gas "p × V = n × R × T" ermöglicht, wobei:

p: = Druck [Pa]
V: = Volumen [m^3]
n: = Molzahl des Gases
R: = Konstante (8,31 J/(mol × K))
T: = Temperatur [K]

Daher lässt sich die Formel für Druck als p = n × R × T/V und speziell für die in 1 gezeigte Anode 10 als:
schreiben, wobei:

ṅ_{Anode_in}: = Rate von in die Anode gehenden Molen (Zufuhr)
ṅ_verbraucht: = Rate von in dem Stapel verbrauchten Molen

Wie vorstehend erwähnt, gilt die Gleichung für Druck für störungsfreie Bedingungen. Zum Schätzen der Leckrate wird eine dritte Variable eingeführt, um die Gleichung:
zu bilden.
Die vorstehende Gleichung kann für die Leckrate gelöst werden, da die Konstante „R" und das Volumen für ein vorgegebenes System bekannt sind und der Anodendruck und die Temperatur von Sensoren direkt gemessen werden, und die Zufuhrrate und die Verbrauchsrate müssen aus anderen Variablen berechnet werden. Für die Berechnung der Zufuhrrate wird ein Modell des Zufuhrventils oder Injektors 11 verwendet. Die Verbrauchsrate kann aus dem von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom berechnet werden. Somit sollte es möglich sein, die zu einem beliebigen Zeitpunkt vorhandene Anzahl an Gasmolen zu berechnen. Während die Anzahl vorhandener Gasmole auf der Grundlage des der Anode zugegebenen Wasserstoffs und des von der Brennstoffzelle verbrauchten Wasserstoffs unterschiedlich ist, sollten sowohl die zugegebenen als auch die verbrauchten Mole bekannt sein. Wenn die Anzahl an noch in der Anode vorhandenen Molen kleiner als erwartet ist, zeigt dies das Vorhandensein eines Lecks.
Das Problem mit dem direkten Berechnen der Anzahl vorhandener Mole ist, dass kleine Messfehler jedes unterschiedlichen Faktors, der für die Berechnung erforderlich ist, zu einer sehr ungenauen Antwort führen können. Nehmen wir zum Beispiel nur das ideale Gasgesetz: wenn die Druck- und Volumenmessungen jeweils um 1% niedriger wären und die Temperaturmessung um 1% höher wäre, dann wäre die Berechnung für die Anzahl vorhandener Mole 3% zu niedrig, was möglicherweise fälschlich auf ein Leck hinweisen würde. Somit sollte aufgrund der Verstärkung des Rauschens die vorstehende Gleichung nicht differenziert werden, um die Leckrate direkt zu berechnen. In der Steuerungstheorie wird gezeigt, dass eine beobachterbasierte Struktur bevorzugt ist.
Das Fehlerproblem bei direkten Berechnungen wird durch Verwenden der in 2 gezeigten beobachterbasierten Struktur behoben. Der gemessene Ausgangswert wird durch das Anodensystem erzeugt, was durch das schematische berechnete Modell 20 dargestellt wird. Die Zufuhrrate, die Verbrauchsrate und die Leckrate sind Eingaben zu einem Summierblock 21. Eine Ausgabe von dem Block 21 ist eine Eingabe zu einem Multiplikationsblock 22, der die Konstante „R" mal der Temperatur dividiert durch das Volumen darstellt. Eine Ausgabe von dem Block 22 ist eine Eingabe zu einem Integrationsblock 23. Eine Ausgabe 24 von dem Block 23 ist der gemessene Ausgabewert, der den Anodendruck darstellt.
Eine Beobachterstruktur 30 umfasst einen Summierblock 31 für die Zufuhrrate und die Verbrauchsrate. Eine Ausgabe des Blocks 31 ist eine Eingabe zu einem Multiplikationsblock 32, der die Konstante „R" mal der Temperatur dividiert durch das Volumen darstellt. Eine Ausgabe von dem Block 32 ist eine Eingabe zu einem Integrationsblock 33. Eine Ausgabe 34 von dem Block 33 ist der berechnete Anodendruck. Die Ausgabewerte 24 und 34 werden an einem Summierpunkt 35 kombiniert, der eine Differenz zu einem Rückmeldungsblock 36 mit einem variablen Zuwachs K_obs erzeugt. Die Ausgabe von dem Block 36, der Rest, wird mit der Ausgabe von dem Block 32 an einem Summierpunkt 37 kombiniert, um eine Differenz als Eingabe zu dem Block 33 zu erzeugen.
Somit kann die Leckrate wie folgt aus der Beobachterschätzung berechnet werden:
Durch Ändern des Zuwachses in Block 36 kann die Zeitkonstante der Schätzung geändert werden. Optimale Werte für den Zuwachs sind ein Kompromiss zwischen schneller Reaktionszeit und Unempfindlichkeit gegenüber Störungen, um falsche Leckangaben aufgrund von Fehlern zu vermeiden. Zum Detektieren von Lecks ist es nur erforderlich zu prüfen, ob der Rest einen Grenzwert überschritten hat. 3 ist ein Beispiel, das eine obere grafische Darstellung des Rests 40 entlang eines durch Linien 41 angezeigten Grenzwertbereichs zeigt. Zum Simulieren eines Lecks wurde ein Ventil geöffnet, wie in einer unteren grafischen Darstellung 42 durch eine Änderung von „0" (Ventil geschlossen) zu „1" (Ventil offen) dargestellt wird. Während störungsfreien Betriebs bleibt der Rest innerhalb des Grenzwertbereichs nahe einem Nullwert. Wie die Kurve zeigt, wird der Rest größer, wenn das Ventil offen ist, und übersteigt den Grenzwertbereich, um das Vorhandensein eines Lecks anzuzeigen. Die in 3 gezeigten unterschiedlichen Größenordnungen des Anstiegs des Rests sind auf unterschiedliche Anodendrücke zurückzuführen. Ein höherer Druck entspricht einem größeren Leck und führt zu einem höheren Restwert.
Das erfindungsgemäße modellbasierte Diagnoseverfahren detektiert Störungen von Komponenten in dem Anoden-Subsystem. Solche Störungen umfassen: Ventilstörungen (einschließlich Abblas-, Ablass- und Entlüftungsventile) der Art offen klemmend, geschlossen klemmend und Leck durch Ventilsitz; Injektorstörungen der Art offen klemmend und Leck durch Sitz; Leck zur Atmosphäre (Schläuche, Schnittstellen); und Stapel durchtritt. Bei Detektieren einer Ventilstörung umfassen Behebungsmaßnahmen: Versuch, ein Ventil durch dessen Ein- und Auspulsen zu lösen; Vermindern der Strömung durch das Ventil durch Senken des Differenzdrucks; und Schließen eines Abblasventils und Verwenden eines offen klemmenden Ventils als Abblasventil.
Eine andere Möglichkeit zum Umsetzen der vorliegenden Erfindung ist das Überwachen der der Anode zugegebenen Wasserstoffmenge im Verhältnis zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle. Dieses Verfahren kann verwendet werden, da der Wasserstoffverbrauch direkt proportional zu dem von dem Stapel gelieferten elektrischen Strom ist. Somit umfasst ein Diagnosealgorithmus das Berechnen der erforderlichen H₂-Strömung durch die Injektoren basierend auf dem elektrischen Strom des Stapels und dem Zustand der Ventile in dem Anoden-Subsystem. Es wird ein Strömungstoleranzband für Schwankungen von System zu System und Laufzeitschwankung in dem Strömungs-/Injektor-Arbeitszyklus hinzugefügt. Wenn die erforderliche Wasserstoffmenge im Verhältnis zu einem Ausgangswert des elektrischen Stroms steigt (Strömung ist hoch), zeigt dies, dass ein Ventil offen klemmend ist oder dass ein Leck zur Atmosphäre vorliegt. Der Strömungswert kann angeben, welches Ventil offen klemmend ist. Wenn die Strömung niedrig ist, leckt ein Injektor oder ein Ventil ist geschlossen klemmend. Ein Beispiel für dieses Verfahren ist in 4 ersichtlich, wo das Anodenablassventil öffnet und schließt, was, wie durch eine Linie 50 gezeigt, eine Reaktion im Injektor-Arbeitszyklus bzw. der Injektor-Einschaltdauer erzeugt. Die Reaktion 50 kann mit dem gefilterten Signal des Injektor-Arbeitszyklus, das durch eine Linie 51 gezeigt wird, und einem Toleranzband oder Grenzwertbereich, die durch die Linien 52 gezeigt werden, verglichen werden.
Der Wasserstoffverbrauch kann geschätzt werden durch Verwenden des Hauptstromdichtensignals durch:
wobei:

j: = Stapel-Stromdichte (Amps/cm²)
A: = Fläche des Stapels (cm²)
n: = Anzahl an Zellen
F: = Faraday-Konstante = 96484,6016 (C/mol)

[Avogadro-Zahl (1/mol) × elementare Änderung (C)]

Ferner kann der Wasserstoffverbrauch durch Verwenden des Molzuflusses durch die Injektorbänke und des Molabflusses durch Abblas- und Entlüftungsventile berechnet werden, was erhalten wird durch: H2Verbrauchb erechn.(mol/s) = Σ InjBänke (mol/s) – Σ Abblasvent.(mol/s) – Σ Druckbegre nz.vent.(mol/s)
Durch Normalisieren der Differenz zwischen berechnetem und gemessenem mit dem berechneten verbrauchten Wasserstoff erhalten wir:
Ein gleitendes Mittel des berechneten Lecks kann über drei (3) Sekunden erhalten werden und zu einer Bedingung zusätzlich zu den vorstehend hierin beschriebenen gemacht werden, um zu überwachen und zu ermitteln, ob das Leck fortbesteht. Wenn das berechnete mittlere Leck größer als ein vorab festgelegter Grenzwert für ,x' Sekunden ist, während gleichzeitig die hierin beschriebenen Kriterien erfüllt werden, dann könnte ein Wasserstoffleck gefolgert werden. Abhängig davon, welche Ventile zu dem Zeitpunkt eines andauernden berechneten Lecks offen und geschlossen sind, wäre es möglich, das für das Leck verantwortliche spezifische Ventil zu folgern.
Bei jedem Vorgehen, das auf dem Überwachen von Eingängen und Ausgängen beruht, ist es wichtig zu wissen, ob sich die Brennstoffzelle in einem Übergangszustand befindet, um Anpassungen an den Modellen vorzunehmen. Zum Beispiel kann es erforderlich sein, die Wärmeabgabe in den Fällen zu verfolgen, da eine Brennstoffzelle eine signifikante Änderung ihres Abgabeverhältnisses von Wärme zu Elektrizität aufweisen kann. Wenn aber in dem Betriebsbereich einer Brennstoffzelle das Abgabeverhältnis konstant ist, dann kann die Wärmeabgabe ignoriert werden, wenn man ein Wasserstoffleck zu detektieren versucht. Um ein anderes Beispiel zu geben: ein Abfall der Brennstoffzellen-Leistungsabgabe aufgrund von Wasseransammlung oder allgemeiner Degradation der elektrischen Spannung sollte nicht mit einem Brennstoffleck verwechselt werden.
Ein Fachmann kann aus der vorstehenden Beschreibung leicht die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung ermitteln und, ohne vom Wesen und Schutzumfang derselben abzuweichen, verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Anwendungen und Bedingungen anzupassen.

Claims

Verfahren zum Detektieren von Brennstofflecks in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle, welches folgende Schritte umfasst: a. Messen eines Anodendrucks im Zusammenhang mit Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor; b. Berechnen eines Anodendrucks im Zusammenhang mit Brennstoffströmung durch den mindestens einen Injektor; c. Ermitteln einer Differenz zwischen dem gemessenen Anodendruck und dem berechneten Anodendruck und Vergleichen der Differenz mit einem Grenzwert; und d. Anzeigen eines Brennstofflecks, wenn die Differenz den Grenzwert übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt b. durch Verwenden eines gemessenen Volumens, einer gemessenen Temperatur, einer berechneten Brennstoffzufuhrrate und einer berechneten Brennstoffverbrauchsrate in einem Modell des Anoden-Subsystems ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzufuhrrate aus einem Modell des mindestens einen Injektors berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffverbrauchsrate aus einer Messung des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt b. unter Verwendung eines Beobachtermodells des Anoden-Subsystems ausgeführt wird und die Differenz als Restrückmeldungssignal an dem Modell angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch, wobei ein Wert des Restrückmeldungssignals durch Anlegen eines Zuwachses geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Grenzwert ein Grenzwertbereich ist und der Schritt d. ausgeführt wird, wenn die Differenz einen oberen Grenzwert des Grenzwertbereichs übersteigt.
Verfahren zum Detektieren von Komponentenstörungen in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle, welches folgende Schritte umfasst: a. Berechnen einer erforderlichen Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor basierend auf einem von der Brennstoffzelle erzeugen elektrischen Strom des Stapels und einem Zustand von Ventilen in dem Anoden-Subsystem; b. Erzeugen eines Toleranzbands; c. Vergleichen der berechneten erforderlichen Brennstoffströmung mit dem Toleranzband; und d. Anzeigen einer Komponentenstörung, wenn die berechnete erforderliche Brennstoffströmung über oder unter dem Toleranzband liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt d. durch Anzeigen der Komponentenstörung als offen klemmendes Ventil oder Leck zur Atmosphäre ausgeführt wird, wenn die berechnete erforderliche Brennstoffströmung über dem Toleranzband liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt d. durch Anzeigen der Komponentenstörung als mindestens ein leckender Injektor oder ein geschlossen klemmendes Ventil ausgeführt wird, wenn die berechnete erforderliche Brennstoffströmung unter dem Toleranzband liegt.
Verfahren zum Detektieren von Komponentenstörungen in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle, welches folgende Schritte umfasst: a. Berechnen eines Werts, der die Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor in dem Anoden-Subsystem darstellt; b. Erzeugen eines Toleranzbands; c. Vergleichen des berechneten Werts mit dem Toleranzband; und d. Anzeigen einer Komponentenstörung, wenn der berechnete Wert über oder unter dem Toleranzband liegt.
Verfahren nach Anspruch 11 wobei der Wert ein Arbeitszyklus des mindestens einen Injektors ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wert eine erforderliche Brennstoffströmung durch mindestens einen Injektor basierend auf einem von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom des Stapels und einem Zustand von Ventilen in dem Anoden-Subsystem ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wert eine Restdifferenz zwischen einem gemessenen Anodendruck und einem berechneten Anodendruck ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Wert ein Wasserstoffverbrauch gleich einem Molzufluss durch den mindestens einen Injektor minus eines Molabflusses durch beliebige offene Abblas- und Entlüftungsventile ist.
Verfahren nach Anspruch 11, welches das Berechnen eines Leckwerts durch Ermitteln einer Differenz zwischen dem berechneten Wert und einem gemessenen Wert verbrauchten Wasserstoffs und Dividieren der Differenz durch den berechneten Wert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, welches zum Feststellen eines Lecks das Berechnen eines gleitenden Mittels des Leckwerts über einer vorbestimmten Zeitspanne und das Vergleichen des gleitenden Mittels mit dem Grenzwert umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, welches das Feststellen eines leckenden Ventils durch Prüfen, welche Ventile während des festgestellten Lecks offen und geschlossen sind, umfasst.