DE102009007168A1

DE102009007168A1 - Verfahren zur Berechnung der maximalen Nettoleistung für ein Brennstoffzellensystem auf der Basis eine Online-Polarisationskurvenabschätzung

Info

Publication number: DE102009007168A1
Application number: DE102009007168A
Authority: DE
Inventors: John P. Salvador; Sriram Ganapathy; Kiran Mallavarapu; Frank X. Leo; Balasubramanian Lakshmanan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: CN101533073B; CN101533073A; US8192879B2; US20090197125A1; DE102009007168B4

Abstract

Es ist ein Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, während der Stapel mit der Zeit degradiert (abgenutzt wird), unter Verwendung einer adaptiven Online-Abschätzung einer Polarisationskurve des Stapels vorgesehen. Der Algorithmus trennt den Stromdichtebereich des Stapels in Abtastbereiche auf und wählt einen ersten Abtastbereich von ganz links von der abgeschätzten Polarisationskurve. Dann berechnet der Algorithmus die Zellenspannung für diesen Stromdichteabtastbereich und ermittelt, ob die berechnete Zellenspannung kleiner oder gleich einer vorbestimmten Zellenspannungsgrenze ist. Wenn die berechnete Zellenspannung nicht kleiner ist als die Zellenspannungsgrenze, dann wählt der Algorithmus den nächsten Abtastbereich entlang der Polarisationskurve. Wenn die berechnete Zellenspannung diese Zellenspannungsgrenze erreicht, dann verwendet der Algorithmus die Stromdichte für den analysierten Abtastbereich, um die maximale Leistung des Brennstoffzellenstapels zu berechnen.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein einen Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Leistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, während der Stapel mit der Zeit degradiert (abgenutzt wird), und im Spezielleren einen Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Leistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, unter Verwendung eines Online-Polarisationskurvenabschätzungsverfahrens, während der Stapel mit der Zeit degradiert.
2. Erläuterung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu bilden. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu bilden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden daher durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu leisten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfangt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfangt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Stapelcontroller muss die Strom/Spannung-Beziehung des Brennstoffzellenstapels kennen, die als Polarisationskurve bezeichnet wird, um die Reaktanden in Übereinstimmung mit dem Leistungsbedarf zu planen. Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels ist ty pischerweise schwierig zu definieren, da sie nicht-linear ist und sich in Abhängigkeit von vielen Variablen ändert, welche die Stapeltemperatur, die Stapelpartialdrücke und die Kathoden- und Anoden-Stöchiometrien umfassen. Darüber hinaus ändert sich die Beziehung zwischen dem Stapelstrom und den Spannungsänderungen, während der Stapel mit der Zeit degradiert. Insbesondere wird ein älterer Stapel geringere Zellenspannungen aufweisen und wird erfordern, dass mehr Strom bereitgestellt wird als bei einem neuen, nicht degradierten Stapel, um dem Leistungsbedarf gerecht zu werden.
Erfreulicherweise neigen viele Brennstoffzellensysteme, sobald sie sich oberhalb einer bestimmten Temperatur befinden, dazu, dass sie wiederholbare Betriebsbedingungen bei einer gegebenen Stromdichte aufweisen. In diesen Fällen kann die Spannung annäherungsweise als eine Funktion der Stapelstromdichte und des Stapelalters beschrieben werden.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung, die von einer Brennstoffzelle verfügbar ist, während der Brennstoffzellenstapel mit der Zeit degradiert, unter Verwendung einer adaptiven Online-Abschätzung einer Polarisationskurve des Stapels offenbart. Der Algorithmus beschafft zuerst Abschätzparameter von dem Brennstoffzellensystem wie z. B. eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung und schätzt jeweils eine Polarisationskurve für den Stapel für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch für eine minimale Zellenspannung ab. Dann berechnet der Algorithmus die maximale Leistung, die von dem Stapel verfügbar ist, für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch für die minimale Zellenspannung aus der Polarisationskur venabschätzung. Hierzu trennt der Algorithmus den Stromdichtebereich des Stapels in Abtastbereiche auf und wählt einen ersten Abtastbereich von ganz links von der abgeschätzten Polarisationskurve. Dann berechnet der Algorithmus die Zellenspannung für diesen Stromdichteabtastbereich und ermittelt, ob die berechnete Zellenspannung kleiner oder gleich einer vorbestimmten Zellenspannungsgrenze ist. Wenn die berechnete Zellenspannung nicht kleiner ist als die Zellenspannungsgrenze, dann wählt der Algorithmus den nächsten Abtastbereich entlang der Polarisationskurve. Wenn die berechnete Zellenspannung die Zellenspannungsgrenze erreicht, dann verwendet der Algorithmus diese Stromdichte für den analysierten Abtastbereich, um die maximale Leistung des Brennstoffzellenstapels zu berechnen. Dann wählt der Algorithmus die kleinere der maximalen Leistungen für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung als die maximale Brennstoffzellensystem-Ausgangsspannung.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, welches geteilte Stapel und einen Controller umfasst;
2 ist ein Graph mit der Brennstoffzellenstapel-Stromdichte auf der horizontalen Achse und der Brennstoffzellenstapelspannung auf der vertikalen Achse, der eine Polarisationskurve für eine minimale Zelle in dem Brennstoffzellenstapel und eine durchschnittliche Zelle in dem Brennstoffzellenstapel zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Ermitteln der maximalen Brennstoffzellenstapelleistung zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Berechnen der maximalen Brennstoffzellenstapelleistung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die einen Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, während der Brennstoffzellenstapel mit der Zeit degradiert, unter Verwendung eines Online-Polarisationskurvenabschätzungsverfahrens vorsehen, ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Viele Steuerparameter eines Brennstoffzellensystems erfordern die Kenntnis der Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels wie z. B. die Kenntnis des maximalen Spannungspotentials und des Stromzuges, die von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar sind. Wie oben erwähnt, ändert sich, während der Stapel altert, auch die Stapelpolarisationskurve infolge der Stapeldegradation. Die US-Patentanmeldung Nr. 11/669 898, eingereicht am 31. Jänner 2007 mit dem Titel „Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack", die dem Anmelder dieser Anmeldung erteilt wurde und hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart einen Algorithmus zum Online-Berechnen der Polarisationskur ve eines Brennstoffzellenstapels, während das Brennstoffzellensystem betrieben wird. Der Algorithmus der '898-Anmeldung schätzt zwei oder mehrere Stapelparameter aus gesammelten Daten ab, während der Stapel betrieben wird, und verwendet die Parameter, um die Polarisationskurve zu berechnen. Wenn der Brennstoffzellenstapel in Betrieb ist und bestimmte Datengültigkeitskriterien erfüllt wurden, tritt der Algorithmus in einen guten Sammelmodus ein, in dem er Stapeldaten wie z. B. die Stapelstromdichte, die durchschnittliche Zellenspannung und die minimale Zellenspannung sammelt. Wenn der Stapel ausgeschaltet ist, verwendet der Algorithmus ein Zellenspannungsmodell, um ein Problem nicht-linearer kleinster Quadrate zu lösen, um die vorbestimmten Parameter abzuschätzen, welche die Polarisationskurve definieren. Wenn die abgeschätzten Parameter bestimmte Endkriterien erfüllen, dann werden die abgeschätzten Parameter gespeichert, um von einem Systemcontroller verwendet zu werden, um die Polarisationskurve des Stapels für zukünftige Stapelbetriebe zu berechnen.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Algorithmus zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung, die von einem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist, unter Verwendung eines Online-Polarisationskurvenabschätzungsverfahrens vor, wie jenes, das in der '898-Anmeldung offenbart ist. Der Algorithmus verwendet zuvor gespeicherte Abschätzparameter, um die Polarisationskurve online zu erzeugen, und berechnet eine maximale Nettoleistung von dem System auf der Basis des Stapelzustandes. Während die Parameter mit der Lebensdauer des Stapels variieren, trifft dies auch auf die maximale Nettoleistung zu. Der Algorithmus versieht den Fahrzeugcontroller mit einer Abschätzung der maximalen Leistung, die von dem Stapel verfügbar ist. Er kann diese Information verwenden, um die Art zu ändern, in der er Leistungsanforderungen an die Batterie und den Brennstoffzellenstapel verteilt.
Dadurch ist die Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert, wenn das Fahrzeug nicht mehr Leistung von dem Stapel anfordert als er erzeugen kann. Man nehme z. B. den Fall an, dass ein Brennstoffzellenmodul typischerweise 90 kW bereitstellen kann, die Stapelspannung jedoch abgenommen hat, sodass er nur 80 kW bereitstellen kann. Wenn 85 kW angefordert sind, wird sich das Gleichgewicht von Anlagensollwerten zu 85 kW verlagern, obwohl der Stapel nicht in der Lage ist, so viel Leistung zu erzeugen. Des Weiteren wird Information des vorhergesagten maximalen Leistungsniveaus für Wartungspersonal verfügbar sein, wenn der Stapel einen Service benötigt. Wenn das maximale Leistungsniveau deutlich abgenommen hat, kann das Brennstoffzellensystem Sollwerte modifizieren, um die Fahrzeugzuverlässigkeit zu erhöhen. Während des Einschaltens des Systems kann die Rate, mit der der Stapel zu Beginn geladen wird, infolge eines reduzierten Leistungsausganges reduziert werden. Wenngleich es langer dauern wird, bis das Fahrzeug abfährt, ist die Gefahr für gestörte Einschaltvorgänge reduziert. Überdies können zusätzliche thermische Lasten eingeschaltet werden, wenn sich das Brennstoffzellensystem aufwärmt. Ein degradierter Stapel besitzt oft eine reduzierte Fähigkeit, flüssiges Wasser handzuhaben. Eine zusätzliche Stapelerwärmung wird die Gefahr eines instabilen Betriebes schnell verringern. Wenn der Stapel stark degradiert ist, können Sollwerte für die relative Feuchte modifiziert werden, um flüssiges Wasser besser handzuhaben.
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, welches einen ersten Teilstapel 12, einen zweiten Teilstapel 14 und einen Controller 16 umfasst. Der Controller 16 empfängt Information von den geteilten Stapeln 12 und 14 und steuert die geteilten Stapel 12 und 14. Der Controller 16 verwendet die Information, um die Polarisationskurve der Stapel 12 und 14 in Echtzeit zu berechnen und die maximale Nettoleistung bereitzustellen, die von den Stapeln 12 und 14 verfügbar ist.
Um die maximale Nettoleistung von den Brennstoffzellenstapeln 12 und 14 zu ermitteln, verwendet die vorliegende Erfindung die durchschnittliche Zellenspannung der Stapel 12 und 14 und die minimale Zellenspannung der Stapel 12 und 14. 2 ist ein Graph mit der Stromdichte auf der horizontalen Achse und der Spannung auf der vertikalen Achse. Der Graph umfasst zwei Polarisationskurven, nämlich die Polarisationskurve 20 für die durchschnittliche Zellenspannung und die Polarisationskurve 22 für die minimale Zellenspannung. Der Punkt 24 repräsentiert den (die) maximalen Strom (oder Stromdichte), der (die) von den Stapeln 12 und 14 für die Polarisationskurve der durchschnittlichen Zelle verfügbar ist, und der Punkt 26 repräsentiert den maximalen Strom, der von den Stapeln 12 und 14 für die Polarisationskurve der minimalen Zelle verfügbar ist.
3 ist ein Flussdiagramm 40, das ein Verfahren der Erfindung zum Ermitteln der maximalen Netto-Brennstoffzellenstapel-Ausgangsleistung zu einer beliebigen gegebenen Zeit während eines Brennstoffzellenbetriebes und die Anwendungen zeigt, für die dieser berechnete Leistungswert verwendet werden kann. Bei dem Feld 42 beschafft der Algorithmus die Parameter aus einem nicht flüchtigen Speicher, die verwendet werden, um die Polarisationskurven für die Stapel 12 und 14 aus z. B. dem Verfahren abzuschätzen, das in der '898-Anmeldung offenbart ist. Ferner legt der Algorithmus bei dem Feld 42 eine durchschnittliche Zellenspannungsgrenze CV Avgcell / Lim und bei dem Feld 44 eine minimale Zellenspannungsgrenze CV min cell / Lim fest. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze etwa 0,525 V betragen und die minimale Zellenspannungsgrenze kann etwa 0,3 V für einen 230 V, 440- Brennstoffzellenstapel betragen. Dann berechnet der Algorithmus die maximale Nettoleistung, die von den Brennstoffzellenstapeln 12 und 14 verfügbar ist, unter Verwendung der durchschnittlichen Zellenspannungsgrenze CV Avgcell / Lim bei dem Feld 42 und berechnet die maximale Leistung unter Verwendung der minimalen Zellenspannungsgrenze CV min cell / Lim bei dem Feld 46.
4 ist ein Flussdiagramm 50, welches ein Verfahren zum Ermitteln der maximalen Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Verfahren beginnt ganz links von den Polarisationskurven 20 und 22 und bewegt sich die Kurven 20 und 22 entlang nach unten, bis die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze CV Avgcell / Lim und die minimale Zellenspannungsgrenze CV min cell / Lim an den Punkten 24 und 26 erreicht sind. Bei dem Feld 52 teilt der Algorithmus den Stromdichtebereich der Stapel 12 und 14 in N Abtastbereiche auf, wobei k den spezifischen Abtastbereich kennzeichnet, der analysiert wird. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der Stromdichtebereich zwischen 0,1 und 2,0 A/cm² betragen und die Abtastbereiche können alle 0,1 A/cm² vorhanden sein. Dann beschafft der Algorithmus eine Stromdichte j für den untersuchten Abtastbereich und berechnet die Zellenspannung bei der Stromdichte j für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung unter Verwendung der Polarisationskurven 20 und 22. In einem nicht einschränkenden Beispiel wird die Zellenspannung bei der spezifischen Stromdichte berechnet als
wobei E_cell die Zellenspannung (V) ist,

j: die Stromdichte (A/cm²) ist,
R_HFR: der Zellen-HFR-Widerstand (Ohm cm²) ist,
E_rev: das thermodynamische reversible Zellenpotential (V) ist,
a: die Hintergrundstromdichte von Zellenkurzschluss/Zellendurchbruch (A/cm²) ist,
j⁰: die Austauschstromdichte (A/cm²) ist,
j^∞: die begrenzende Stromdichte (A/cm²) ist und
c: der Massenübergangskoeffizient ist.

Sobald die Zellenspannung berechnet ist, ermittelt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 56, ob die berechnete Zellenspannung E_cell für diese Stromdichte j kleiner ist als die vorbestimmte Zellenspannungsgrenze CV Avgcell / Lim oder CV min cell / Lim, und wenn nicht, bewegt sich der Algorithmus bei dem Feld 58 in den nächsten Abtastbereich k, um die durchschnittliche Zellenspannung und die minimale Zellenspannung bei dem Feld 54 für die neue, höhere Stromdichte j zu berechnen. Wenn die berechnete Zellenspannung bei der Entscheidungsraute 56 kleiner oder gleich der Zellenspannungsgrenze CV Avgcell / Lim oder CV min cell / Lim ist, dann legt der Algorithmus die Stromdichte j für den speziellen Abtastbereich als die maximale Stromdichte fest und berechnet bei dem Feld 60 die maximale Leistung. Die Bruttoleistung wird berechnet als Spannung mal Strom, wobei die maximale Stromdichte j mit der Anzahl der Zellen N_cells und der Fläche A_cell der Zellen multipliziert wird, um den Gesamtstrom der Stapel 12 und 14 zu erhalten. Ferner wird eine Abschätzung der parasitären Leistung auf der Basis der Stromdichte (von einer Nachschlagetabelle oder einem geeigneten Algorithmus zur Abschätzung der parasitären Leistung bereitgestellt) von der Leistung abgezogen und eine Korrektur wird hinzugefügt, um die maximale Nettoleistung P X / max als:
zu erhalten.
Die Bruttoleistung sagt aus, wie viel der Stapel erzeugt, und die Nettoleistung ist die Bruttoleistung minus der parasitären Leistung für den Betrieb des Brennstoffzellensystems wie z. B. zum Betreiben des Verdichters, der Kühlfluidpumpen etc. Typischerweise werden Tabellen erzeugt, in denen die parasitäre Leistung für eine bestimmte Stromdichte j auf der Basis von Experimenten und dergleichen definiert ist. Die Korrektur wird typischerweise empirisch ermittelt und liegt allgemein bei etwa 5% der maximalen Leistung.
Sobald der Algorithmus die maximale Nettoleistung P X / max für die durchschnittliche Zellenspannung und die minimale Zellenspannung für beide Stapel 12 und 14 besitzt, ermittelt der Algorithmus die maximale Brennstoffzellensystem-Nettoleistung P FCS / max als das Minimum der beiden maximalen Nettoleistungen P X / max für jeden Stapel 12 und 14 bei dem Feld 62 in dem Flussdiagramm 40.
Eine weitere nicht einschränkende Ausführungsform zur Berechnung der maximalen Nettoleistung, die auf eine Anzahl von N Stapeln angewendet werden kann, kann gegeben sein durch: PFCSmax = min(max(AvgCellLeistungsabschätzungen), min(MinCellLeistungsabschätzungen))
Sobald der Algorithmus die maximale Nettoleistung P FCS / max besitzt, die von den Stapeln 12 und 14 zu jeder bestimmten Zeit abgezogen werden kann, wird dieser Wert dann in verschiedenen Anwendungen in dem Brennstoffzellensystem 10 verwendet, z. B. bei der Vorhersage der Anzahl von Stunden vor dem Ende der Lebensdauer der Stapel 12 und 14 bei dem Feld 64, dem Senden der maximalen Leistung an das Brennstoffzellenleistungssystem bei dem Feld 66, dem Bereitstellen einer Energieabschätzung für ein annehmbares Laufverhalten bei dem Feld 68 und die Verwendung der maximalen Leistung in adaptiven Steueranwendungen bei dem Feld 70.
Die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine durchschnittliche Zellenspannungsgrenze für eine durchschnittliche Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine minimale Zellenspannungsgrenze für eine mit minimaler Leistung arbeitende Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine separate Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung abgeschätzt wird; ein Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen in aufsteigender Reihenfolge aufgetrennt wird; ein erster Abtastbereich gewählt wird; eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt werden; ermittelt wird, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte durchschnittliche Zellenspannungsgrenze und die minimale Zellenspannungsgrenze; ein nächster Abtastbereich in dem Stromdichtebereich gewählt wird, wenn die Zellenspannung nicht kleiner als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze ist; eine maximale Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung berechnet wird, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze; und die kleinere aus der maximalen Nettoleistung der durchschnittlichen Zellenspannung und der maximalen Nettoleistung der minimalen Zellenspannung als die maximale Stapelleistung gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Nettoleistung umfasst, dass die Nettoleistung als die maximale Zellenspannung mal der Gesamtstromdichte mal der Anzahl von Brennstoffzellen mal der Fläche der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels minus einer vorbestimmten parasitären Leistung berechnet wird, die verwendet werden, während der Brennstoffzellenstapel betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner umfasst, dass der berechneten maximalen Leistung eine Korrektur hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung umfasst, dass die Gleichung:
verwendet wird, wobei E_cell die Zellenspannung ist, j die Stromdichte ist, R_HFR der Zellen-HFR-Widerstand ist, E_rev das thermodynamische reversible Zellenpotential ist, a die Hintergrundstromdichte von Zel lenkurzschluss/Zellendurchbruch ist, j⁰ die Austauschstromdichte ist, j^∞ die begrenzende Stromdichte ist und c der Massenübergangskoeffizient ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze etwa 0,525 V beträgt und die minimale Zellenspannungsgrenze etwa 0,3 V beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Auftrennen eines Stromdichtebereiches des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen umfasst, dass ein Stromdichtebereich von 0,1–2,0 A/cm² in Abtastbereiche von 0,1 A/cm² aufgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wählen eines nächsten Abtastbereiches in dem Stromdichtebereich umfasst, dass der nächste Abtastbereich in der Reihenfolge von einer niedrigen Stromdichte in dem Bereich zu einer hohen Stromdichte in dem Bereich gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein geteilter Brennstoffzellenstapel ist, wobei die maximale Stapelleistung für beide geteilten Stapel ermittelt wird.
Verfahren zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: zumindest eine Zellenspannungsgrenze für eine Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird; eine Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für zumindest eine Zelle abgeschätzt wird; ein Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen aufgetrennt wird; ein erster Abtastbereich gewählt wird; eine Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt wird; ermittelt wird, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte Zellenspannungsgrenze; ein nächster Abtastbereich in dem Stromdichtebereich gewählt wird, wenn die Zellenspannung nicht kleiner ist als die Zellenspannungsgrenze; und eine maximale Nettoleistung für die Zellenspannung berechnet wird, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die Zellenspannungsgrenze.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Wählen zumindest einer Zellenspannungsgrenze umfasst, dass eine durchschnittliche Zellenspannungsgrenze für eine durchschnittliche Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel und eine minimale Zellenspannungsgrenze für eine mit minimaler Leistung arbeitende Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gewählt wird, und wobei das Abschätzen einer Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass eine Polarisationskurve für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung abgeschätzt wird, und wobei das Ermitteln einer Zellenspannung umfasst, dass eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Berechnen der Nettoleistung umfasst, dass die Nettoleistung als die maximale Zellenspannung mal der Gesamtstromdichte mal der Anzahl von Brennstoffzellen mal der Fläche der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels minus einer vorbestimmten parasitären Leistung berechnet wird, die verwendet werden, während der Brennstoffzellenstapel betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner umfasst, dass der berechneten maximalen Leistung eine Korrektur hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln der Zellenspannung umfasst, dass die Gleichung:
verwendet wird, wobei E_cell die Zellenspannung ist, j die Stromdichte ist, R_HFR der Zellen-HFR-Widerstand ist, E_rev das thermodynamische reversible Zellenpotential ist, a die Hintergrundstromdichte von Zellenkurzschluss/Zellendurchbruch ist, j⁰ die Austauschstromdichte ist, j^∞ die begrenzende Stromdichte ist und c der Massenübergangskoeffizient ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Auftrennen eines Stromdichtebereiches des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen umfasst, dass ein Stromdichtebereich von 0,1–2,0 A/cm² in Abtastbereiche von 0,1 A/cm² aufgetrennt wird.
System zum Abschätzen der maximalen Stapelleistung von einem Brennstoffzellenstapel während eines Betriebes eines Brennstoffzellenstapels, wobei das System umfasst: ein Mittel, um eine durchschnittliche Zellenspannung für eine durchschnittliche Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel zu wählen; ein Mittel, um eine minimale Zellenspannung für eine mit minimaler Leistung arbeitenden Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel zu wählen; ein Mittel, um eine Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels für sowohl eine durchschnittliche Brennstoffzellen- als auch eine minimale Brennstoffzellenspannung abzuschätzen; ein Mittel, um einen Stromdichtebereich des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen aufzutrennen; ein Mittel, um einen ersten Abtastbereich zu wählen; ein Mittel, um eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung bei der Stromdichte für den gewählten Abtastbereich zu ermitteln; ein Mittel, um zu ermitteln, ob die Zellenspannung kleiner ist als die vorbestimmte durchschnittliche Zellenspannungsgrenze und die minimale Zellenspannungsgrenze; ein Mittel, um einen nächsten Abtastbereich in dem Stromdichtebereich zu wählen, wenn die Zellenspannung nicht kleiner als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze oder die minimale Zellenspannungsgrenze ist; ein Mittel, um eine maximale Nettoleistung für sowohl die durchschnittliche Zellenspannung als auch die minimale Zellenspannung zu berechnen, wenn die Zellenspannung kleiner ist als die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze und die minimale Zellenspannungsgrenze; und ein Mittel, um die kleinere aus der maximalen Nettoleistung der durchschnittlichen Zellenspannung und der maximalen Nettoleistung der minimalen Zellenspannung als eine maximale Stapelleistung zu wählen.
System nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Berechnen der Nettoleistung ein Mittel umfasst, um die Nettoleistung als die maximale Zellenspannung mal der Gesamtstromdichte mal der Anzahl von Brennstoffzellen mal der Fläche der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels minus einer vorbestimmten parasitären Leistung zu berechnen, die verwendet werden, während der Brennstoffzellenstapel betrieben wird.
System nach Anspruch 15, wobei die durchschnittliche Zellenspannungsgrenze etwa 0,525 V beträgt und die minimale Zellenspannungsgrenze etwa 0,3 V beträgt.
System nach Anspruch 15, wobei das Auftrennen eines Stromdichtebereiches des Brennstoffzellenstapels in eine vorbestimmte Anzahl von Abtastbereichen umfasst, dass ein Stromdichtebereich von 0,1–2,0 A/cm² in Abtastbereiche von 0,1 A/cm² aufgetrennt wird.
System nach Anspruch 15, wobei der Brennstoffzellenstapel ein geteilter Brennstoffzellenstapel ist, wobei die maximale Stapelleistung für beide geteilten Stapel ermittelt wird.
System nach Anspruch 15, wobei das Mittel zum Wählen eines nächsten Abtastbereiches in dem Stromdichtebereich ein Mittel umfasst, um den nächsten Abtastbereich in der Reihenfolge von einer niedrigen Stromdichte in dem Bereich zu einer hohen Stromdichte in dem Bereich zu wählen.