DE102010051220B4

DE102010051220B4 - Verfahren zum schätzen der relativen feuchte eines kathodeneinlasses und -auslasses eines brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102010051220B4
Application number: DE102010051220.6A
Authority: DE
Inventors: Manish Sinha
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2019-01-24
Anticipated expiration: 2030-11-13
Also published as: US20110113857A1; CN102110828B; US9306230B2; CN102110828A; DE102010051220A1

Abstract

Verfahren zum Schätzen einer relativen Feuchte (RH) eines Kathodeneinlasses und Kathodenauslasses eines Brennstoffzellenstapels (12) auf Grundlage eines Hochfrequenzwiderstandes (HFR) des Brennstoffzellenstapels (12), wobei das Verfahren umfasst, dass:
ein Einlass- und Auslassdruck einer durch den Brennstoffzellenstapel (12) gelangenden Kathodenluftströmung gemessen werden;
eine Einlass- und Auslasskühlmitteltemperatur eines durch den Brennstoffzellenstapel (12) gelangenden Kühlmittels gemessen werden;
eine Kathodenstöchiometrie auf Grundlage des gemessenen Stapelstroms und der gemessenen Kathodenluftströmung bestimmt wird;
ein Modell dazu verwendet wird, den HFR des Brennstoffzellenstapels (12) zu schätzen, wobei das Modell den gemessenen Einlass- und Auslassdruck der Kathodenluftströmung, die gemessene Einlass- und Auslasskühlmitteltemperatur des Kühlmittels und die Kathodenstöchiometrie verwendet, um den HFR zu schätzen;
der HFR des Brennstoffzellenstapels (12) unter Verwendung eines HFR-Sensors (54) gemessen wird;
die Modellschätzung des HFR des Brennstoffzellenstapels (12) mit dem gemessenen HFR von einem HFR-Sensor (54) verglichen wird;
ein Fehler zwischen dem geschätzten Modell-HFR und dem durch den HFR-Sensor (54) gemessenen HFR bestimmt wird;
der Fehler zwischen dem geschätzten Modell-HFR und dem gemessenen HFR minimiert wird; und
die Kathodenauslass-RH durch Lösen eines Wasserspeziesgleichgewichts geschätzt wird;
durch Integration der Modellschätzung des HFR von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass ein durchschnittlicher Stapel-HFR geschätzt wird; und eine Kathodeneinlass-RH so bestimmt wird, dass das resultierende RH-Profil mit dem gemessenen HFR und dem Modell-Durchschnitts-HFR zusammenpasst, nachdem der Fehler minimiert worden ist.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Schätzen der relativen Feuchte (RH von engl.: „relative humidity“) des Kathodeneinlasses und Kathodenauslasses eines Brennstoffzellenstapels aus einem Stapel-Hochfrequenzwiderstand (HFR) und insbesondere ein Verfahren zum Messen des HFR eines Stapels, zum Schätzen eines Modell-HFR des Stapels, zum Minimieren eines Fehlers zwischen dem gemessenen Brennstoffzellen-HFR und dem Modell-HFR und die Verwendung eines Wasserspeziesgleichgewichts (aus engl.: „water specie balance“), um eine RH des Kathodeneinlasses und Kathodenauslasses zu schätzen.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird an dem Anodenkatalysator aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Ein Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, 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 weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Wie es in der Technik gut verständlich ist, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einer bestimmten relativen Feuchte (RH), so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die relative Feuchte des Kathodenauslassgases von dem Brennstoffzellenstapel wird typischerweise zur Steuerung der relativen Feuchte der Membranen durch Steuerung verschiedener Stapelbetriebsparameter, wie Stapeldruck, Temperatur, Kathodenstöchiometrie sowie der relativen Feuchte der Kathodenluft in den Stapel hinein gesteuert. Zu Stapelhaltbarkeitszwecken ist es erwünscht, die Anzahl von Zyklen der relativen Feuchte der Membran zu minimieren, da ein Zyklusverlauf zwischen RH-Extremen eine ernsthafte Beschränkung der Membranlebensdauer gezeigt hat. Der Zyklusverlauf der RH der Membran bewirkt eine Expansion und Kontraktion der Membran infolge der Absorption von Wasser und einem anschließenden Trocknen. Diese Expansion und Kontraktion der Membran bewirken Stiftlöcher in der Membran, was einen Wasserstoff- und Sauerstoffübertritt durch die Membran erzeugt, wodurch heiße Stellen erzeugt werden, die die Größe des Lochs in der Membran weiter steigern, wodurch ihre Lebensdauer reduziert wird.
Wie oben erwähnt ist, kann Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt werden. Daher umfasst das Kathodenabgas von dem Stapel Wasserdampf und flüssiges Wasser. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen, und das Wasser zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluftströmung zu verwenden. Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Membran wird durch die Membran absorbiert und an den Kathodenluftstrom an der anderen Seite der Membran übertragen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm2, kann sich das Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bilden sich Tröpfchen in den Strömungskanälen. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen üblichen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Wenn die Tröpfchengröße zunimmt, kann die Oberflächenspannung des Tröpfchens stärker als der Deltadruck werden, der versucht, die Tröpfchen zu dem Austragsverteiler zu treiben, so dass das Reaktandengas möglicherweise nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, wobei das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben kann. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotenzial von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen funktionsunfähig wird, der gesamte Brennstoffzellenstapel funktionsunfähig werden.
Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) ist eine gut bekannte Eigenschaft von Brennstoffzellen und steht eng mit dem ohmschen Widerstand oder dem Membranprotonenwiderstand der Brennstoffzellenmembran in Beziehung. Der ohmsche Widerstand ist selbst eine Funktion des Grades der Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran. Daher kann durch Messen des HFR der Brennstoffzellenmembranen eines Brennstoffzellenstapels innerhalb eines spezifischen Bandes von Erregungsstromfrequenzen der Grad an Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bestimmt werden. Diese HFR-Messung erlaubt eine unabhängige Messung der Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran, wodurch der Bedarf nach RH-Sensoren beseitigt wird.
Die durchschnittliche HFR eines Brennstoffzellenstapels, von Anschluss zu Anschluss, sieht ein gutes Maß einer durchschnittlichen Stapelmembranbefeuchtung RH_avg vor. Während ein Steuern der Membranbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von RH_avg zur Erfüllung von Wirkungsgradzielen ausreichend sein kann, korreliert die Anwesenheit von flüssigem Wasser in den Kathodeneinlassströmungskanälen und den Kathodenauslassströmungskanälen direkt mit einer schlechten Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Schaden, der durch Gefrieren in einem Brennstoffzellenstapel bewirkt wird.
In der Technik ist es bekannt, einen Einlass-RH-Sensor in dem Kathodenlufteinlass eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, um die Befeuchtung des Kathodeneinlassgasstromes zu messen. Unter Verwendung der gemessenen relativen Feuchte des Einlasses und des Wasserspeziesgleichgewichts oder Massengleichgewichts von Wasser kann das RH-Profil des Brennstoffzellensystems, einschließlich der Kathodenluftauslassströmung, geschätzt werden. Jedoch erfordert diese Methode die Verwendung von Einlass-RH-Sensoren, die gegenüber einem Ausfall in der Anwesenheit von flüssigem Wasser anfällig sind, wodurch ein Fluten oder Übertrocknen des Brennstoffzellenstapels resultieren kann. Ferner stellt ein Schätzen der Auslass-RH der Kathodenluftströmung auf Grundlage des Wasserspeziesgleichgewichts eine Methode dar, die empfindlich gegenüber Temperatur und Stöchiometrie ist. Somit können Fehler in Temperatur-, Luftströmungs- und Stromregulierung eine schlechte Steuerung der Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels zur Folge haben.
Die DE 10 2006 022 825 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, um ein gewünschtes Profil einer relativen Feuchte in der Brennstoffzelle zu erhalten. Die Brennstoffzelle umfasst dabei eine im Wesentlichen vorwiegend gleichstromige Anordnung relativ zueinander angeordneter Kathodenreaktanden- und Kühlmittelströmungspfade, die durch eine Protonenaustauschmembran und einen Kühlmittelströmungspfad getrennt sind. Dabei umfasst das Verfahren, dass Betriebscharakteristiken der Brennstoffzelle überwacht werden, ein Profil der relativen Feuchte der Brennstoffzelle als eine Funktion eines Reaktionsfortschrittes ermittelt wird und zumindest ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle auf Grundlage des ermittelten Profils eingestellt wird, um ein gewünschtes Profil der relativen Feuchte in der Brennstoffzelle zu erhalten.
Die EP 0 350 013 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung einer Vorrichtung zum Widerstandsschweißen, bei dem zum Schweißen Elektroden an einander entgegengesetzten Seiten eines zu schweißenden Werkstücks angebracht werden. Das Verfahren umfasst dabei ein Speichern eines vorbestimmten idealen Widerstandswerts, ein Erfassen eines Zwischenelektroden-Widerstands aus einer Spannung und einem Strom zwischen den Elektroden, ein Vergleichen der erfassten Zwischenelektroden-Widerstandswerte mit dem idealen Widerstandswert und ein Bestimmen eines Ausgleichswerts, wobei ein Schweißstrom entsprechend dem Ausgleichswert geregelt wird.
Die DE 10 2008 047 389 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst. Eine HFR-Messvorrichtung in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel bestimmt einen Hochfrequenzwiderstand des Brennstoffzellenstapels, der zur Berechnung eines Verhältnisses des Hochfrequenzwiderstands zu einer relativen Feuchte (Verhältnis von d(HFR)/d(RH)) dient. Anhand des ermittelten d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses stellt ein Feuchtigkeitsregler in fluidtechnischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel eine relative Feuchte desselben innerhalb eines gewünschten Bereiches ein.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wasserregulierungssystem für einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, das in der Lage ist, eine relative Feuchte der Kathodeneinlassströmung und eine relative Feuchte der Kathodenauslassströmung aus einer Durchschnitts-HFR-Messung zur Verwendung bei Onlinesteuerungen bzw. prozessgekoppelten Steuerungen zu schätzen und zu steuern.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Beispielhaft ist ein Verfahren zum Schätzen einer relativen Feuchte (RH) eines Kathodeneinlasses und Kathodenauslasses eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren verwendet ein Modell zur Schätzung des Hochfrequenzwiderstandes (HFR) des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage eines Wasserspeziesgleichgewichts und misst auch einen Stapel-HFR. Die HFR-Werte von dem geschätzten HFR und dem gemessenen HFR werden verglichen, und ein Fehler zwischen den HFR-Werten wird bestimmt. Anschließend wird ein Online-Regressionsalgorithmus verwendet, um den Fehler zu minimieren, und die Lösung der Regression ist das RH-Profil in dem Stapel, das die relativen Feuchten des Kathodeneinlasses und -auslasses aufweist.

1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems;
2 ist ein Diagramm mit der relativen Feuchte an der X-Achse und einem typischen Hochfrequenzwiderstand an der Y-Achse; und
3 ist ein schematisches Blockschaubild des HFR-basierten Schätzers der Einlass- und Auslass-RH.

1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 24 auf, wobei jede Brennstoffzelle 24 eine Membranelektrodenanordnung (MEA) aufweist, die voneinander durch elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühlte bipolare Separatorplatten (nicht gezeigt) getrennt sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 14 an einer Anodeneingangsleitung 16 auf und liefert ein Anodenabgas auf einer Leitung 18. Ein Kompressor 20 liefert eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 22 durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit 26, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 28 ausgegeben. Die Abgasleitung 28 lenkt das Kathodenabgas an die WVT-Einheit 26, um die Feuchte zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Eine Bypassleitung 30 ist um die WVT-Einheit 26 vorgesehen, und ein Bypassventil 32 ist in der Bypassleitung 30 vorgesehen und wird so gesteuert, dass es das Kathodenabgas durch oder um die WVT-Einheit 26 selektiv umlenkt, um die gewünschte Menge an Feuchte für die Kathodeneingangsluft bereitzustellen.
Ein Kathodeneingangsdrucksensor 36 ist in der Kathodeneingangsleitung 22 vorgesehen, um den Druck darin zu messen. Ähnlicherweise ist ein Kathodenaustragsdrucksensor 38 in der Kathodenabgasleitung 28 vorgesehen, um den Druck darin zu messen. Ein Controller 40 steuert das Bypassventil 32 und überwacht auch den Kathodeneingangsdrucksensor 36 und den Kathodenaustragsdrucksensor 38.
Ein Kühlmittelströmungspfad 44 liefert Kühlmittel an den Brennstoffzellenstapel 12. Ein Kühlmitteleinlasstemperatursensor 46 ist an dem Kühlmittelströmungspfad 44 vorgesehen, um die Temperatur des in den Stapel 12 strömenden Kühlmittels zu messen, und ein Kühlmittelauslasstemperatursensor 48 ist an dem Kühlmittelströmungspfad 44 vorgesehen, um die Temperatur des aus dem Stapel 12 heraus strömenden Kühlmittels zu messen. Es ist auch ein Wärmetauscher 50 in dem Kühlmittelströmungspfad 44 vorgesehen, um das Kühlmittel zu kühlen und die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 zu steuern.
Ein HFR-Sensor 54 misst den Hochfrequenzwiderstand (HFR) des Brennstoffzellenstapels 12, wodurch ermöglicht wird, dass die Zellenmembranbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels 12 durch den Controller 40 zu bestimmen werden kann. Der HFR-Sensor 54 arbeitet durch Messen des ohmschen Widerstandes oder des Membranprotonenwiderstandes des Brennstoffzellenstapels 12. Der Controller 40 kommuniziert auch mit den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, um deren Position zu steuern und zu koordinieren. Beispielsweise kommuniziert der Controller 40 mit dem Kompressor 20, um die stöchiometrische Menge von Kathodenluft, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, zu steuern. Der Controller 40 kommuniziert auch mit der WVT-Einheit 26, um die Befeuchtung der Kathodeneingangsluft zu steuern, dem Wärmetauscher 50, um die Temperatur des Stapels 12 zu steuern, und kommuniziert mit den Temperatursensoren 46 und 48 und den Drucksensoren 36 und 38, um die Kühlmitteltemperatur bzw. den Kathodenluftdruck zu überwachen.
Der Controller 40 bestimmt die durchschnittliche HFR-Messung des Brennstoffzellenstapels 12, um sowohl die Einlass-RH der Kathodeneingangsluft an der Leitung 22 als auch die Auslass-RH des Kathodenabgases an der Leitung 28 zu schätzen. Die Bestimmung der Einlass- und Auslass-RH auf Grundlage der HFR-Messung des Stapels 12 beseitigt den Bedarf nach RH-Sensoren, die teuer und unzuverlässig sein können. Die Strategie zur Bestimmung der Einlass- und Auslass-RH eines Brennstoffzellenstapels ist nachfolgend detaillierter beschrieben.
2 zeigt eine typische Beziehung zwischen einem durchschnittlichen HFR an der Y-Achse und einem durchschnittlichen RH an der X-Achse. Wenn beispielsweise der HFR eines Stapels 80 mΩ-cm² beträgt und der Stapel bei niedriger Leistung arbeitet, beträgt die durchschnittliche RH etwa 65 %. Somit bietet eine HFR-basierte Schätzung der Befeuchtung eines Brennstoffzellenstapels eine Methode, die den Innenzustand der Hydratation der Membranelektrodenanordnung (MEA) direkt misst, d.h. eine Methode eines „Stapels als Sensor“ bietet.
Auf Grundlage des gemessenen HFR und der RH-HFR-Kurve von 2 kann die durchschnittliche relative Feuchte RH_avg geschätzt werden. Dem Fachmann sei offensichtlich, dass, wenn die HFR sich signifikant mit der Stapelstromdichte ändert, die RH-HFR-Kurven für verschiedene Stromdichten erzeugt und dazu verwendet werden können, die RH_avg zu schätzen.
Zusätzlich ist herausgefunden worden, dass das RH-Profil von der Änderung der Kühlmitteltemperatur abhängt, wie beim Eintritt und Austritt des Brennstoffzellenstapels gemessen ist, wobei eine größere Änderung der Temperatur mit einer größeren Spanne der Kathodeneinlass- und der Kathodenauslass-RH korreliert. Zusätzlich beeinflussen in kleinerem Ausmaß auch Druckänderungen eine Einlass- und Auslass-RH, wobei eine höhere Druckänderung eine Zunahme der Spanne zwischen der Kathodeneinlass-RH und der Kathodenauslass-RH bewirkt.
3 ist ein schematisches Blockschaubild eines HFR-basierten Schätzers 60 der Einlass- und Auslass-RH. Ein diskretes Stapelbefeuchtungsmodell bei Kasten 62 berechnet eine Modell-Hochfrequenzwiderstandsschätzung HFR^mdl auf Grundlage der geschätzten RH_in , der Luftströmung aus der Kathodenstöchiometrie ν₀ , der Einlasstemperatur und Auslasstemperatur des Kühlmittels T_in bzw. T_out und dem Einlassdruck und Auslassdruck der Kathodenluftströmung P_m bzw. P_out . Der berechnete HFR^mdl wird bei Kasten 64 mit einem durch den HFR-Sensor 54 gemessenen HFR HFR_sensor verglichen, um einen Fehler als die Differenz zwischen HFR^mdl und HFR_sensor bereitzustellen. Ein Regressionsalgorithmus, wie eine Optimierung unter Verwendung eines Proportional-Integral-Differential-(PID)-Reglers wird dazu verwendet, den Fehler bei Kasten 66 zu minimieren und das RH-Profil oder die durchschnittliche RH des Stapels bereitzustellen. Der Fachmann erkennt, dass verschiedene Regressionswerkzeuge verfügbar sind, um den Fehler zu minimieren, wie oben diskutiert ist. Die Einzelheiten des Flussdiagramms von 3 sind nachfolgend detaillierter diskutiert.
Wenn α als die Koordinate von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass (0-1) definiert ist, kann der HFR entlang dieser Koordinate aufgrund eines Wasserspeziesgleichgewichts geschätzt werden, um den MEA-Hydratationszustand (λ) unter Verwendung der folgenden Gleichung zu schätzen. ${HFR}^{mdl} (α) = f (y_{in}, P (α), T (α), v_{o})$
Wobei HFR^mdl die Modellschätzung des durchschnittlichen Stapel-HFR ist, α die Reaktionskoordinate von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass ist (0-1), γ_ΐn der Stoffmengen- bzw. Molanteil von Wasser an dem Kathodeneinlass ist (wie aus RH_in und Kathodeneinlass-T, -P geschätzt), P(α) der Druck bei α ist, wobei das Druckprofil aus einer Stapeldruckänderung zur Strömungscharakterisierung und Einlassdruck P(in) konstruiert ist, T(α) auf Messungen von Sensoren unter Annahme eines linearen Temperaturanstiegs von der Kühlmitteleinlasstemperatur zu der Kühlmittelauslasstemperatur basiert, und ν₀ eine Kathodenstöchiometrie ist, die eine Luftströmung und Strom angibt. Die Funktion f ist ein Massengleichgewicht, wobei Reaktionswasser eine Erhöhung des Wassermolanteils in dem Kathodenstrom entlang der Reaktionskoordinaten zur Folge hat, und wobei die RH an einem beliebigen Punkt auf Grundlage eines Molanteils, einer Temperatur und eines Drucks gemäß der Gleichung (4) unten geschätzt werden kann. Eine charakteristische Kurve, wie in 2 gezeigt ist, kann dann dazu verwendet werden, ein HFR-Profil entlang der Reaktionskoordinaten zu erzeugen.
Durch Verwendung der Gleichung (1) kann die durchschnittliche Stapel-HFR durch Integration von HFR^mdl (α) über α gemäß der folgenden Gleichung geschätzt werden: $H F R_{a v g}^{m d l} = \frac{\int f (y_{i n}, P (α), t (α), v_{o}) d α}{\int d α}$
Wobei ${HFR}_{avg}^{mdl}$
die Modellschätzung der Stapel-HFR ist. Sobald ${HFR}_{avg}^{mdl}$
bekannt ist, besteht die Aufgabe darin, die Einlass-RH der Kathodenluftströmung so zu suchen, dass das resultierende RH-Profil (RH(α)) und ${HFR}_{avg}^{mdl}$
mit dem gemessenen HFR $({HFR}_{avg}^{sensor})$
zusammenpasst. Dies stellt ein Optimierungsproblem dar und kann gemäß der folgenden Gleichung veranschaulicht werden: $minimiere R H_{i n} PMM = | H F R_{a v g}^{m d l} - H F R_{a v g}^{s e n s o r} |$
Wobei Gleichung (3) 0 < RH_in < 100 unterliegt. RH_in ist die RH der Kathodeneinlassluft und wird unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt: ${RH}_{in} = \frac{y_{i n}, P_{i n}}{P^{s a t} (T_{i n})}$
Wobei PMM die Anlagenmodellfehlanpassung ist und die Aufgabe dieser Optimierung darin besteht, die Fehlanpassung zu minimieren. Die Lösung von PMM ist die geschätzte Einlass-RH und das RH-Profil. Das Verfahren für geschätzte RH des Kathodeneinlasses und -auslasses auf Basis des HFR ist nachfolgend detaillierter beschrieben.
Wie oben diskutiert ist, wird der Stapel HFR wie auch der Einlass- und Auslasskathodenluftdruck, die Einlass- und Auslasskühlmitteltemperatur und die Kathodenstöchiometrie (auf Grundlage des gemessenen Stroms und der gemessenen Luftströmung) gemessen. Zusätzlich wird ein Anfangswert der Kathodeneinlass-RH geschätzt. Dieser Wert kann von einer vorhergehenden Abschaltung gespeichert werden oder kann beispielsweise als 50 % Kathodeneinlass-RH als eine vernünftige Vermutung geschätzt werden. Dem Fachmann sei angemerkt, dass verschiedene Verfahren zum Schätzen des Anfangswerts der Kathodeneinlass-RH existieren.
Als Nächstes wird ein Wasserspeziesgleichgewicht ausgeführt, um ${HFR}_{avg}^{mdl}$
zu bilden, wie oben beschrieben ist. Das Wasserspeziesgleichgewicht oder das Massengleichgewicht von Wasser ist Eingang + Erzeugung = Ausgang + Ansammlung. Sobald der Modell-HFR mit dem sensorgemessenen HFR verglichen wird, wird ein Fehler bestimmt, und es erfolgt eine Optimierung. Eine Optimierungssuchrichtung sowie -schrittgröße können unter Verwendung der folgenden Gleichung dargestellt werden: $R H_{i n}^{t} = R H_{i n}^{t - 1} + k$
Wobei k die Schrittgröße ist und ${RH}_{t}^{in}$
der virtuelle Sensor von RH zum Zeitpunkt t ist. Es sei angemerkt, dass, wenn RH_in zunimmt, HFR abnimmt, wodurch das Vorzeichen von k negativ wird (Suchrichtung). Zusätzlich kann eine Schätzung der Empfindlichkeit von RH_in zu HFR in der folgenden Gleichung dargestellt werden: $\frac{1 m Ω - c m^{2}}{[% R H]}$
Mit anderen Worten resultiert eine Zunahme der Einlass-RH um 10 % in einer Abnahme von HFR um etwa 10 mΩ-cm². Somit gilt: $k = \frac{- 1 m Ω - c m^{2}}{[% R H]}$
Die obige Diskussion veranschaulicht, wie die Schrittgröße berechnet werden kann. Da die RH-HFR-Kurve nicht linear ist, siehe 2, kann die Schrittgröße auf Basis des Nenn-RH-Betriebspunkts verschieden sein.
Als Nächstes wird $y_{in}^{t}$
gemäß der folgenden Gleichung berechnet: $R H_{i n}^{t} \times \frac{P^{s a t} (T_{i n})}{P_{i n}}$
Somit kann das Wasserspeziesgleichgewicht gelöst werden, um die Auslass-RH zu schätzen. Auf diese Weise können die Kathodeneinlass-RH und die Kathodenauslass-RH unter Verwendung von HFR geschätzt werden, wodurch der Bedarf nach RH-Sensoren beseitigt wird, die teuer und ungenau sein können.

Claims

Verfahren zum Schätzen einer relativen Feuchte (RH) eines Kathodeneinlasses und Kathodenauslasses eines Brennstoffzellenstapels (12) auf Grundlage eines Hochfrequenzwiderstandes (HFR) des Brennstoffzellenstapels (12), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Einlass- und Auslassdruck einer durch den Brennstoffzellenstapel (12) gelangenden Kathodenluftströmung gemessen werden; eine Einlass- und Auslasskühlmitteltemperatur eines durch den Brennstoffzellenstapel (12) gelangenden Kühlmittels gemessen werden; eine Kathodenstöchiometrie auf Grundlage des gemessenen Stapelstroms und der gemessenen Kathodenluftströmung bestimmt wird; ein Modell dazu verwendet wird, den HFR des Brennstoffzellenstapels (12) zu schätzen, wobei das Modell den gemessenen Einlass- und Auslassdruck der Kathodenluftströmung, die gemessene Einlass- und Auslasskühlmitteltemperatur des Kühlmittels und die Kathodenstöchiometrie verwendet, um den HFR zu schätzen; der HFR des Brennstoffzellenstapels (12) unter Verwendung eines HFR-Sensors (54) gemessen wird; die Modellschätzung des HFR des Brennstoffzellenstapels (12) mit dem gemessenen HFR von einem HFR-Sensor (54) verglichen wird; ein Fehler zwischen dem geschätzten Modell-HFR und dem durch den HFR-Sensor (54) gemessenen HFR bestimmt wird; der Fehler zwischen dem geschätzten Modell-HFR und dem gemessenen HFR minimiert wird; und die Kathodenauslass-RH durch Lösen eines Wasserspeziesgleichgewichts geschätzt wird; durch Integration der Modellschätzung des HFR von dem Kathodeneinlass zu dem Kathodenauslass ein durchschnittlicher Stapel-HFR geschätzt wird; und eine Kathodeneinlass-RH so bestimmt wird, dass das resultierende RH-Profil mit dem gemessenen HFR und dem Modell-Durchschnitts-HFR zusammenpasst, nachdem der Fehler minimiert worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Minimieren des Fehlers zwischen dem geschätzten Modell-HFR und dem gemessenen HFR eine Optimierung der Differenz zwischen dem geschätzten Modell-HFR und dem gemessenen HFR umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der Molanteil von Wasser in dem Kathodeneinlass aus der Kathodeneinlass-RH bestimmt wird, die mit dem gemessenen HFR und dem Modell-Durchschnitts-HFR zusammenpasst, nachdem der Fehler bestimmt worden ist.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, dass eine Kathodenauslass-RH aus dem Molanteil von Wasser in dem Kathodeneinlass durch Lösen des Wasserspeziesgleichgewichts bestimmt wird.