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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Steuern von Entlüftungsereignissen in Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems und im Spezielleren ein Verfahren zum Überwachen proaktiver und reaktiver Entlüftungen eines Brennstoffzellensystems, welche umfassen, dass auf der Basis der Anzahl von reaktiven Entlüftungen, die als ein Ergebnis eines unerwarteten Anstiegs einer Stickstoffanreicherung in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, üblicherweise infolge eines alternden Systems, stattgefunden haben, bestimmt wird, wann der Plan für proaktive Entlüftung geändert werden sollte, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu optimieren.
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2. Erläuterung des Standes der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
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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.
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Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangs-Reaktandengas, typischerweise eine Strömung von Luft, 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 empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktandengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.
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Die MEAs sind durchlässig und lassen daher zu, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels durch sie hindurch dringt und sich in der Anodenseite des Stapels ansammelt, was in der Industrie als Stickstoff-Durchbruch (Cross-Over) bezeichnet wird. Wenngleich der anodenseitige Druck höher sein kann als der kathodenseitige Druck, werden die kathodenseitigen Partialdrücke bewirken, dass Luft durch die Membran hindurch dringt. Der Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, sodass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz wie z. B. 50% hinaus ansteigt, der Brennstoffzellenstapel instabil wird und versagen kann. Es ist auf dem technischen Gebiet bekannt, ein Entlüftungsventil an dem Anodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
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Einige Brennstoffzellensysteme verwenden eine Anodenströmungsverschiebung, bei der der Brennstoffzellenstapel in Unterstapel aufgeteilt ist, und das Anoden-Reaktandengas in alternierenden Richtungen durch die aufgeteilten Unterstapel strömen gelassen wird. In diesen Konstruktionstypen ist gelegentlich eine Entlüftungskrümmereinheit (BMU von Bleed Manifold Unit) zwischen den aufgeteilten Unterstapeln vorgesehen, welche die Ventile für die Bereitstellung der Anoden-Abgasentlüftung umfasst.
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Es kann ein Algorithmus verwendet werden, um eine Online-Abschätzung der Stickstoffkonzentration im Anodenabgas während eines Stapelbetriebes vorzusehen, um zu bestimmen, wann die Anodenabgasentlüftung ausgelöst werden soll. Der Algorithmus kann die Stickstoffkonzentration über die Zeit in der Anodenseite des Stapels auf der Basis der Permeationsrate von der Kathodenseite zu der Anodenseite und der periodischen Entlüftungen des Anodenabgases verfolgen. Wenn der Algorithmus einen Anstieg der Stickstoffkonzentration über einen vorbestimmten Schwellenwert, z. B. 10%, berechnet, kann er die Entlüftung auslösen. Diese Entlüftung, die manchmal als proaktive Entlüftung bezeichnet wird, wird typischerweise über eine Zeit lang ausgeführt, die es erlaubt, mehrere Stapelanodenvolumina zu entlüften, um so die Stickstoffkonzentration unter den Schwellenwert zu reduzieren.
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Eine weitere Art von bekannter Entlüftung wird als reaktive Entlüftung bezeichnet. Bei einer reaktiven Entlüftung berechnet ein Algorithmus die Zellenspannung und löst eine Entlüftung aus, wenn ein Zellenspannungs-Stapeldifferenzschwellenwert oder -ausschlagschwellenwert überschritten wird. Die Stapeldifferenz ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Zellenspannung pro aufgeteiltem Unterstapel. Der Stapelausschlag ist die absolute Differenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung der beiden Unterstapel. Der Hauptgrund eines Zellenspannungsverlusts ist eine Stickstoffanreicherung in dem Stapel. Somit besteht der typische Zweck einer reaktiven Entlüftung darin, den Stickstoff zu entlüften, der sich in der Anodenseite des Stapels angesammelt hat, um die minimale Zellenspannung zu verbessern und die Stapelspannungsdifferenz des aufgeteilten Stapelsystems zu reduzieren. Es sind weitere, weniger übliche Gründe für eine reaktive Entlüftung bekannt, etwa ein Austrocknen der Membran oder zu viel Wasser in der Anode.
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Wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einer gesteuerten relativen Feuchtigkeit (RH von Relative Humidity), so dass der ionische Widerstand über die Membran gering genug ist, um Protonen effektiv zu leiten. Das Brennstoffzellensystem ist in der Lage, zu bestimmen, ob die Membran zu trocken oder zu nass ist, indem es einen Sensor verwendet, der den Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle bestimmt. Der Hochfrequenzwiderstand (HFR von High Frequency Resistance) ist der Widerstand der Membran, der sich mit der Hydration der Membran ändert. Je höher der HFR, desto trockener ist der Stapel, und je geringer der HFR, desto wahrscheinlicher ist es, dass zu viel Wasser in der Anode der Grund für die reaktive Entlüftung ist.
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Ein bekannter Anodenabgasentlüftungs-Steueralgorithmus bestimmt die Dauer der Entlüftung auf der Basis einer festen Zeit, welche die gewünschte Menge an Stickstoff eliminieren würde. Wenn der Brennstoffzellenstapel jedoch altert, nimmt die Zellenleistung ab und Stickstoffentlüftungen sind häufiger notwendig. Daher wählen jene Systeme, die eine feste Entlüftungsdauer verwenden, typischerweise eine Entlüftungsdauer für das mittlere Lebensalter des Stapels als geeigneten Durchschnitt für die gesamte Stapellebensdauer. Allerdings ist eine derartige Anodenentlüftungsstrategie offensichtlich nicht effizient für die gesamte Lebensdauer des Stapels, wo die Entlüftungsdauer typischerweise zu lang wäre und eine solche zu häufig stattfinden würde, wenn der Stapel neu ist, und zu kurz wäre und zu selten stattfinden würde, wenn der Stapel am Ende seiner Lebensdauer angekommen ist. Wenn die Entlüftung zu lange dauert, arbeitet das System ineffizient, da eine beträchtliche Menge Wasserstoff aus dem Anodenabgas ausgestoßen wird. Wenn die Entlüftung zu kurz ist, wird eine Anodenentlüftung ausgelöst, die normalerweise nicht notwendig sein mag. Die Entlüftungsdauer wird typischerweise für verschiedene Stromdichtebereiche des Stapels bestimmt, wobei es sich jedoch um feste Werte über die gesamte Lebensdauer des Stapels handelt. Da die Tabelle der Entlüftungsauslösunen statisch ist, ist die Kalibrierung zugunsten der Zellenstabilität vorgespannt, um den Zellenabbau zu berücksichtigen. Somit wird Wasserstoff unter Verwendung einer festen Tabelle geopfert, um die Zellenstabilität über die Lebensdauer des Stapels aufrechtzuerhalten.
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In den Druckschriften
US 2007/0 054 165 A1 ,
WO 2008/146 122 A1 ,
DE 10 2007 059 998 A1 und
US 2006/0 134 478 A1 sind Verfahren zum Steuern des Purgens mithilfe der Messung oder Abschätzung der Stickstoffkonzentration an der Anode beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern von Anoden-Entlüftungsauslöseereignissen und zum Bestimmen, wann ein Plan für proaktive Entlüftung in einem Brennstoffzellensystem angepasst werden muss, offenbart. Das Verfahren verwendet einen Entlüftungsauslöseüberwachungsalgorithmus zum Überwachen von proaktiven Entlüftungen und reaktiven Entlüftungen, der bestimmt, ob die reaktiven Entlüftungen durch übermäßig viel Stickstoff in der Anode verursacht sind. Der Algorithmus überwacht die Anzahl von reaktiven Entlüftungen, welche durch eine Stickstoffansammlung in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verursacht sind, und ändert den Plan für proaktive Entlüftung in Ansprechen darauf, falls erforderlich.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für ein Entlüftungsauslöseüberwachungssystem zeigt;
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3 ist ein Flussdiagramm des Entlüftungsauslöseüberwachungssystems in größerem Detail;
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4 ist ein Flussdiagramm, das Berechnungen für das Entlüftungsauslöseüberwachungssystem der 2 und 3 zeigt; und
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5 ist ein Flussdiagramm einer Basistabellenmodifiziererfunktion mit offenem Regelkreis.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein System und ein Verfahren zum Überwachen der Entlüftungsereignisse zum Entlüften der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem vorsieht, ist lediglich beispielhaft.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, welches aufgeteilte Brennstoffzellenunterstapel 12 und 14 umfasst, die unter einer Anodenströmungsverschiebung arbeiten. Wenn die Strömung in einer Richtung erfolgt, spritzt eine Injektorbank 16 auf einer Anodeneingangsleitung 24 frischen Wasserstoff in die Anodenseite des Unterstapels 12 ein. Das Anodengas, das von dem Unterstapel 12 ausgegeben wird, wird auf einer Verbindungsleitung 20 zu dem Unterstapel 14 geschickt. Wenn die Strömung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, spritzt eine Injektorbank 18 auf einer Anodeneingangsleitung 26 frischen Wasserstoff in die Anodenseite des Unterstapels 14 ein, der von dem Unterstapel 14 ausgegeben wird und auf der Leitung 20 zu dem Unterstapel 12 geschickt wird. Ein Ablassventil 22 ist in der Leitung 20 vorgesehen und kann für eine mittlere Entlüftung verwendet werden. Ein Hochfrequenzwiderstandssensor 44 misst den Widerstand der Membranen und ist in dem Ablassventil 22 untergebracht.
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Eine BMU 30 ist an einem Anodeneingang zu den aufgeteilten Unterstapeln 12 und 14 vorgesehen und stellt eine Anodenabgasentlüftung während bestimmter Zeiten bereit, um Stickstoff von der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14 auf der Basis eines beliebigen geeigneten Entlüftungsplanes zu entfernen. Die BMU 30 umfasst eine Leitung 32, welche die Anodeneingangsleitungen 24 und 26 verbindet, und eine Abgasleitung 34, welche die Leitung 32 mit dem Abgas des Systems 10, typischerweise dem kathodenseitigen Abgas der Unterstapel 12 und 14, verbindet. Ein erstes Entlüftungsventil 36 ist in der Leitung 32 nahe dem Unterstapel 14 vorgesehen. Ein Abgasventil 40 ist in der Leitung 34 vorgesehen, welches während der Anodenentlüftung und zu anderen Zeiten, wie erforderlich, geöffnet wird. Ein Controller 48 steuert die Injektorbänke 16 und 18 und die Ventile 36, 38 und 40 und überwacht den Hochfrequenzwiderstandssensor 44 und eine Entlüftungsauslöseüberwachung 46, wie unten erläutert.
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Wenn das System 10 unter einer Anodenströmungsverschiebung arbeitet und keine Entlüftung befohlen ist, sind beide Entlüftungsventile 36 und 38 geschlossen, sodass, abhängig von der Richtung der Anodengasströmung, der Ausgang des zweiten Unterstapels eine Sackgasse bildet. Wenn eine Entlüftung befohlen ist und die Strömungsverschiebung in der Richtung von dem Unterstapel 12 zu dem Unterstapel 14 über die Leitung 20 erfolgt, wird das Entlüftungsventil 38 geöffnet und das Entlüftungsventil 36 wird geschlossen. Ebenso wird, wenn eine Entlüftung befohlen ist und die Strömung in der Richtung von dem Unterstapel 14 zu dem Unterstapel 12 über die Leitung 20 erfolgt, das erste Entlüftungsventil 36 geöffnet und das zweite Entlüftungsventil 38 geschlossen. Somit wird das Anodenabgas aus der Abgasleitung 34 durch das Auslassventil 40 hindurch entlüftet.
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen Entlüftungsüberwachungsalgorithmus zum Steuern der Entlüftungsereignisse für die Unterstapel 12 und 14. Proaktive Entlüftungen zeigen an, dass das System 10 korrekt funktionieren kann, und reaktive Entlüftungen zeigen an, dass das System 10 eine Zelleninstabilität erfahren kann und versuchen kann, sich von einer niedrigen Zellenspannung zu erholen, bevor ein schneller Stopp erforderlich ist, um das System zu schützen. Aus diesem Grund wird der Entlüftungsauslöseüberwachungsalgorithmus verwendet, um zu bestimmen, wie viele reaktive Entlüftungen stattfinden und mit welcher Rate, und welche reaktiven Entlüftungen infolge einer Abreicherung auf Stickstoffbasis stattfinden, und welche reaktiven Entlüftungen anderweitig begründet sind, wie z. B. durch übermäßig viel Wasser in der Anode oder Austrocknen der Membran. Wenn der Entlüftungsüberwachungsalgorithmus bestimmt, dass die reaktiven Entlüftungen zu oft stickstoffbasiert sind, kann das System die proaktive Auslösung ändern, um die Anzahl von reaktiven Entlüftungen zu reduzieren, die erforderlich sind, um das System zu schützen, indem die Frequenz und/oder die Dauer der proaktiven Entlüftungen erhöht wird. Alternativ könnten andere Systemänderungen vorgenommen werden, um die Systemeffizienz und -stabilität zu optimieren. Das Überwachungssystem könnte auch andere Eingänge wie z. B. Ablassereignisse, Zellenspannungen, die Stelle einer schwachen Zelle oder den Hochfrequenzwiderstand gleichzeitig mit den Auslösungen reaktiver Entlüftungen überwachen, um zu bestimmen, wann Änderungen an Basistabellenkalibrierungen des Brennstoffzellensystems vorzunehmen sind.
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Durch Überwachen der Auslösungen einer Entlüftung, insbesondere der Auslösungen reaktiver Entlüftung ist das Brennstoffzellensystem 10 in der Lage zu bestimmen, ob diese reaktiven Entlüftungen erfolgreich sind oder nicht, und was die Auslösungen reaktiver Entlüftung verursacht hat. Das Brennstoffzellensystem 10 kann dann diese Information beurteilen und den Plan für proaktive Entlüftung wie erforderlich anpassen, um die Entlüftungseffizienz und die Zellenstabilität über die Lebensdauer der Unterstapel 12 und 14 zu optimieren. Dies wird den Verlust von weniger Wasserstoff und eine erhöhte Leistung und -stabilität am Ende der Lebensdauer der Zelle zur Folge haben und System- oder Hardwarevariationen berücksichtigen. Zusätzliche Vorteile umfassen diagnostische Information, die die Überwachung bereitstellt, wie z. B. einen vorzeitigen Hardwareabbau oder ein übermäßiges Zellenfluten oder Austrocknen der Membran.
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2 ist ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren für einen Auslösealgorithmus für proaktive und reaktive Entlüftung zeigt, der in der Entlüftungsauslöseüberwachung 46 in der oben erläuterten Weise arbeitet. Ein Stickstoffmodell bei Feld 52 bestimmt die Stickstoffkonzentration in der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14. Alternativ könnte ein Anodenwasserstoffkonzentrationsmodell verwendet werden, wie einem Fachmann bekannt. Der Algorithmus überwacht die Stickstoffkonzentration in der Anode und bestimmt bei der Entscheidungsraute 58, wann der prozentuelle Anteil an Stickstoff einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert an der Entscheidungsraute 58 ist durch einen Basistabellenmodifizierer festgelegt. Der Basistabellenmodifizierer wird in Ansprechen auf übermäßig viele reaktive Anodenentlüftungen durch ein Tabellenmodifiziererfeld 100 geändert, wie nachfolgend im Detail erläutert. Der Schwellenwert ändert sich für verschiedene Stapelstromdichten bei dem Feld 54, wie auf ein Prozent-Stickstoffschwellenwert-Basistabellenfeld 56 angewendet. Wenn daher der Schwellenwert bewirkt, dass ein Plan für proaktive Entlüftung in einem bestimmten Intervall für eine bestimmte Stapelstromdichte auf der Basis des Stickstoffmodells stattfindet und dass das Intervall dazu führt, dass reaktive Entlüftungen infolge einer Stickstoffansammlung zu oft stattfinden, erkennt der Algorithmus, dass der Plan für proaktive Entlüftung nicht zufriedenstellend ist und passt den Schwellenwert entsprechend an. Es können verschiedene Systemparameter für die Änderung der Stickstoffansammlung in den Unterstapeln 12 und 14 verantwortlich sein. Somit wird, wenn die Unterstapel 12 und 14 altern, der Plan für proaktive Entlüftung für die Änderungen der Stapelparameter angepasst.
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Wenn der prozentuelle Anteil von Stickstoff den Schwellenwert an der Entscheidungsraute 58 überschreitet, wird eine Auslösung proaktiver Entlüftung bei Feld 60 eingeleitet. Sobald die Auslösung proaktiver Entlüftung eingeleitet ist, muss der Algorithmus bei Feld 62 sicherstellen, dass die Parameter mit verschiedener Logik richtig orientiert sind, sodass das System 10 das Entlüftungsventil 36 oder 38 korrekt öffnen kann, wie von der Auslösung proaktiver Entlüftung angefordert. Beispiele einer geeigneten Logik umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf ein Ablassereignis und eine hohe Wasserstoffkonzentration im Abgas. Eine ähnliche Logik wird für einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein. Wenn die Logik korrekt orientiert ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 64, ob alle Bedingungen in Ordnung sind, und, wenn ja, wird das Entlüftungsventil 36 oder 38 bei einem Hardware-Entlüftungsauslösefeld 66 geöffnet. Wenn die Logik bei der Entscheidungsraute 64 nicht korrekt orientiert ist, muss der Algorithmus warten, bis die Logik bei dem Feld 62 korrekt orientiert ist, um zu bestimmen, wann alle der Bedingungen in Ordnung sind und das Entlüftungsventil 36 oder 38 geöffnet werden kann.
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Eine Entscheidungsraute 68 bestimmt, ob auch die Länge der Entlüftungsdauer erfüllt wurde, und, wenn ja, wird die Entlüftung bei Feld 70 gestoppt. Nach Entfernen der Auslösung proaktiver Entlüftung bei dem Feld 70 wird das Stickstoffmodell bei Feld 52 auf null oder einen anderen Basiswert zurückgesetzt und der Algorithmus überwacht wiederum die Anodenstickstoffkonzentration. Wenn der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 68 bestimmt, dass die Entlüftungslänge nicht erfüllt wurde, bleibt die Auslösung proaktiver Entlüftung bei dem Feld 60 offen.
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Der Entlüftungsauslösealgorithmus sieht auch reaktive Entlüftungen vor. Der Algorithmus überwacht die Zellenspannung mithilfe einer Überwachung/Abschätzeinrichtung bei Feld 74. Wenn bei Feld 76 eine niedrige Zellenspannung detektiert wird, bestimmt eine Entscheidungsraute 78, ob die Zellenspannung zu niedrig ist, und somit eine Hilfsmaßnahme erfordert. Wenn die Zellenspannung zu niedrig ist, wird eine Auslösung reaktiver Entlüftung bei Feld 80 angefordert. Bevor das Entlüftungsventil 36 oder 38 geöffnet werden kann, muss der Algorithmus zuerst bestimmen, ob die Systemlogik bei dem Feld 62 korrekt orientiert ist, sodass er zulassen wird, dass das Entlüftungsventil 36 oder 38 zu der erforderlichen Zeit öffnet. Wenn der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 64 bestimmt, dass die Logik korrekt orientiert ist und alle Bedingungen in Ordnung sind, lassen die Auslösungen einer Hardware-Entlüftung bei dem Feld 66 zu, dass das Entlüftungsventil 36 oder 38 öffnet und die reaktive Entlüftung stattfindet. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Logik nicht korrekt orientiert ist, muss der Algorithmus warten, dass die Logik bei dem Feld 62 bestimmt, wann alle Bedingungen in Ordnung sind und das Entlüftungsventil öffnen kann.
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Eine Entscheidungsraute 82 bestimmt, ob sich die Zellenspannung erholt hat. Wenn die Zellenspannung sich erholt hat, setzt der Algorithmus fort, die Zellenspannung mithilfe der Zellenspannungsüberwachung/Abschätzeinrichtung bei dem Feld 74 zu überwachen. Wenn sich die Zellenspannung nicht erholt hat, wird eine zweite reaktive Entlüftungsstrategie bei Feld 84 eingesetzt. In bestimmten Systemen kann eine Entlüftungsstrategie auf einem zweiten Niveau unter Umständen nicht vorhanden sein und stattdessen wird das System einfach die Auslösung reaktiver Entlüftung bei dem Feld 80 wiederholen oder in ein schnelles Ausschalten eintreten.
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Die Entlüftungen werden von einer Entlüftungsauslöseüberwachung bei dem Feld 86 überwacht. Die Entlüftungsauslöseüberwachung verfolgt die Anzahl von proaktiven Entlüftungen und reaktiven Entlüftungen, und ob die reaktiven Entlüftungen erfolgreich sind bei Feld 88. Die Entlüftungsauslöseüberwachung überwacht bei dem Feld 86 auch verschiedene Systemeingänge und Informationen. Einige der Informationen, welche die Entlüftungsauslöseüberwachung verfolgen kann, umfassen proaktive Entlüftungen, die abgeschätzte Stelle der Zelle, die eine minimale Zellenspannung erfährt, den Hochfrequenzwiderstand (HFR), Niveauanzeiger-Auslassereignisse und die Stapelstromdichte. Diese Eingänge, entweder einzeln oder in Kombination, geben an, ob das Entlüftungsereignis durch die Ansammlung von Stickstoff in der Anode oder aus einem anderen Grund wie z. B. eine Wasseranreicherung in der Anode oder übermäßiges Trocknen der Membran verursacht wurde. Auf der Basis dieser Eingänge bestimmt die Entlüftungsauslöseüberwachung bei dem Feld 86, ob ein Tabellenmodifizierer bei dem Feld 100 aktiviert werden soll. Die Entlüftungsauslöseüberwachung bei dem Feld 86 aktiviert die Tabellenüberwachung bei dem Feld 100, wenn die Eingänge, die sie empfängt, anzeigen, dass der aktuelle Plan für proaktive Entlüftung nicht geeignet ist, um Stickstoff ausreichend schnell von den Unterstapeln 12 und 14 zu entfernen, um eine wünschenswerte Stapelstabilität aufrechtzuerhalten. Daher kann der Plan für proaktive Entlüftung durch Betreuen der verschiedenen Parameter des Systems angepasst werden und die reaktive Entlüftung kann reduziert werden, sodass das System in einer optimierten Weise arbeitet. Daher wird für einen besseren Systembetrieb ein Basistabellenmodifizierer geändert und es wird ein neuer Stickstoffschwellenwert an der Entscheidungsraute 58 festgelegt.
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3 ist ein Flussdiagramm 108, welches einen detaillierteren Betrieb des Betriebes des Entlüftungsauslöseüberwachungssystems zeigt. Die Eingänge der Entlüftungsauslöseüberwachung umfassen eine Auslösung reaktiver Entlüftung bei Feld 110, ob die reaktive Entlüftung erfolgreich war bei Feld 112, eine Auslösung proaktiver Entlüftung bei Feld 114, eine Abschätzung der Stelle der Zelle mit einer minimalen Spannung bei Feld 116, die HFR bei Feld 118, eine Niveauanzeige und Ablassereignisse bei Feld 120 und die Stapelstromdichte bei Feld 122. Weitere Eingänge umfassen die Anzahl von Entlüftungsereignissen an dem Kreis 124 und die Anzahl von Ereignissen von reaktiver Entlüftung an dem Kreis 126. Wenn eine Entlüftungsauslöseüberwachung bei Feld 130 bestimmt, ob ein Tabellenmodifizierer bei Feld 140 aktiviert ist, führt die Entlüftungsauslöseüberwachung logische Operationen aus. Zum Beispiel, wenn alle reaktiven Entlüftungen überwacht werden, wenn die Entlüftungsauslöseüberwachungslogik bestimmt, dass der Hochfrequenzwiderstand bei dem Feld 118 größer als ein Wert X während einer reaktiven Entlüftung bei der Entscheidungsraute 132 ist und die Stelle der Zelle mit minimaler Spannung bei dem Feld 116 größer ist als eine Y-Wert-Zellennummer bei der Entscheidungsraute 134, und wenn die reaktive Entlüftung die Zellenstabilität vor einem harten Zeitlimit T bei Feld 136 zurückgewinnt, wird bestimmt, dass die reaktive Entlüftung stickstoffbasiert ist und als solche von der Entlüftungsauslöseüberwachung bei dem Feld 130 überwacht wird.
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Im Wesentlichen verfolgt die Entlüftungsauslöseüberwachung bei dem Feld
130 Verhältnisse wie z. B.:
wobei PB die Anzahl von proaktiven Entlüftungen ist, RB
Total die Gesamtzahl von reaktiven Entlüftungen ist und RB
N2 die Anzahl von reaktiven Stickstoffentlüftungen ist.
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Wenn diese Verhältnisse über vorbestimmte Schwellenwerte bei den Entscheidungsrauten 132 oder 134 schreiten, wird die Entlüftungsauslöseüberwachung bei dem Feld 132 entweder fortsetzen, die Verhältnisse zu überwachen, oder den Tabellenmodifizierer bei dem Feld 140 aktivieren. Sobald der Tabellenmodifizierer aktiviert ist, wird die Entlüftungsauslöseüberwachung 130 bei Feld 142 zurückgesetzt. Somit beginnt die Überwachung, Entlüftungsereignisse von null an zu zählen, nachdem eine Änderung in der Häufigkeit der proaktiven Entlüftungen ausgeführt wurde.
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4 ist ein Flussdiagramm 148, welches genauere Details der Berechnungen des oben beschriebenen Entlüftungsauslöseüberwachungssystems zeigen. Eingangsfeld 150 stellen die oben erläuterten Eingänge bereit, die in Entlüftungsereignisräumen bei Feld 152 gespeichert sind, was eine Tabelle im RAM ergibt, während der Controller 48 arbeitet. Nach dem Abschalten des Controllers wird die Tabelle in NVM-Lokationen zum Abruf beim nächsten Systembetrieb geschrieben. Ein Verhältnis von reaktiven Entlüftungen gegenüber proaktiven Entlüftungen wird für einen Stichprobenumfang bei Feld 154 berechnet, und ein Verhältnis von stickstoffbasierten reaktiven Entlüftungen gegenüber proaktiven Entlüftungen wird bei Feld 156 berechnet. Die beiden Berechnungen werden in den Entlüftungsereignisräumen bei dem Feld 152 gespeichert. Wenn eines dieser Verhältnisse einen entsprechenden Schwellenwert überschreitet, wird bei Feld 158 ein Flag gesetzt und es wird entschieden, ob Betriebsparameter geändert werden müssen oder nicht. Überdies, wenn eine reaktive Auslösung auftritt, bestimmt der Algorithmus, ob der HFR größer als X während der reaktiven Entlüftung ist, und ob die Zelle mit der minimalen Zellspannung eine niedrigere als eine Y-Zellennummer, jedoch eine höhere als eine Z-Zellennummer ist, und ob die reaktive Entlüftung die Stabilität vor dem harten Zeitlimit T bei Feld 160 zurückgewinnt, ist die reaktive Entlüftung stickstoffbasiert und wird als solche in dem Entlüftungsereignisraum bei Feld 152 gespeichert.
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5 ist ein Flussdiagramm 162 einer Basistabellenmodifiziererfunktion mit offenem Regelkreis, wobei eine Nachschlagetabelle verwendet wird, um die Stickstoffauslösung auf der Basis der Stromdichte und des Stapellebensalters anzupassen. Somit wird, wenn ein Tabellenmodifizierer bei Feld 174 aktiviert wird, der Controller 48 die Stromdichte des Brennstoffzellenstapels bei Feld 164 bestimmen und sie mit der stickstoffschwellenwertbasierten Tabelle bei Feld 166 vergleichen. Der Controller 48 wird auch die Stapelstunden des Brennstoffzellensystems bei Feld 168 bestimmen. Diese Information wird in einen Basistabellenmodifizierer mit offenem Regelkreis bei Feld 170 eingegeben, wo es eine Verstärkung erhält. Der modifizierte prozentuelle Anteil von Anodenstickstoff, welcher der neue Schwellenwert sein soll, wird auf der Basis dieser Verstärkung bestimmt. Somit wird dieser neue Schwellenwert bei Feld 172 in das Basistabellenmodifiziererfeld des Flussdiagramms 50 eingegeben. Dies ändert die Auslösung proaktiver Entlüftung, wie erforderlich, um sicherzustellen, dass das Brennstoffzellensystem effizient läuft. Auf diese Weise wird die Menge an vergeudetem Wasserstoff reduziert, da das System in der Lage ist, sich an sich verändernde Bedingungen zu adaptieren, anstatt gezwungen zu werden, bei einer bestimmten, konservativen, festen Rate proaktiv entlüftet zu werden.
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Bezugszeichenliste
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zu Fig. 2
- 52
- Stickstoffmodell
- 54
- Stromdichte
- 56
- %N2-Schwellenwert-Basistabelle
- 58
- N2 > Tabellen-Schwellenwert?
- 60
- Auslösung proaktiver Entlüftung
- 62
- Andere Logik
Ablassereignis, Hohe Abgaskonz., etc.
- 64
- Alle Bedingungen OK?
- 66
- Auslösung einer Hardware-Entlüftung
- 68
- Entlüftungslänge > Tau-Schwellenwert
- 70
- Entferne Auslösung proaktiver Entlüftung
- 74
- Zellenspannungsüberwachung/Abschätzeinrichtung
- 76
- Niedrige Zellenspannung detektiert
- 78
- Zellenspannung zu niedrig?
- 80*
- Auslösung proaktiver Entlüftung
- 80**
- Auslösung reaktiver Entlüftung
- 82*
- Schätze Min. Zellenstelle ab
- 82**
- Zellenspannung erholt?
- 84*
- HFR
- 84**
- Strategie für reaktive Entlüftung
- 86*
- Niveauanzeiger-Ablassereignisse
- 86**
- Entlüftungsauslöseüberwachung
- 88*
- Stromdichte
- 88**
- Reaktive Entlüftung erfolgreich?
- 100
- Aktiviere Tabellenmodifizierer
