DE102010053626A1 - Injektorströmungsmessung für Brennstoffzellenanwendungen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Menge an Brennstoffströmung von einem Hochdruck-Gastank zu der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels durch einen gepulsten Injektor. Der Anodensubsystemdruck wird kurz vor dem Injektorimpuls und kurz nach dem Injektorimpuls gemessen, und es wird eine Differenz zwischen den Drücken bestimmt. Die Differenz zwischen den Drücken, das Volumen des Anodensubsystems, die ideale Gaskonstante, die Anodensubsystemtemperatur, der von der Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel während des Injektionsereignisses verbrauchte Brennstoff und der Brennstoffübertritt durch Membranen in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels werden dazu verwendet, die Menge an Wasserstoffgas, die durch den Injektor injiziert wird, zu bestimmen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Bestimmung einer abgemessenen bzw. dosierten Strömung von Wasserstoffbrennstoff zu einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung einer dosierten Strömung von Wasserstoffbrennstoff durch einen gepulsten Injektor zu einem Brennstoffzellenstapel, das einen Anodensubsystemdruck vor der gepulsten Injektion und nach der gepulsten Injektion verwendet.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • 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.
  • Bei einigen Brennstoffzellensystemkonstruktionen werden ein oder mehrere Injektoren verwendet, um Wasserstoffbrennstoff von einem Hochdruckgastank in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu injizieren. Der Injektor besitzt eine gewisse Mündungsgröße und wird mit einem bestimmten Einschaltverhältnis abhängig von der Menge an Wasserstoffgas, die für die gewünschte Stapelleistung benötigt wird, betrieben. Um die Menge an Wasserstoffbrennstoff, die an den Stapel geliefert wird, genau zu steuern oder zu dosieren, kann die Brennstoffströmung aus dem Brennstofflieferdruck und der Temperatur sowie der Injektormündungsgröße und dem Einschaltverhältnis berechnet werden.
  • Um die Kosten und das Gewicht von Brennstoffzellensystemen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, zu reduzieren, ist es erwünscht, so viele Komponenten wie möglich zu beseitigen. Das Beseitigen der Druck- und Temperatursensoren, die erforderlich sind, um die Brennstoffströmung zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, stellt einen Weg dar, über den dieses Ziel erreicht werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der Menge an Brennstoffströmung von einem Hochdruckgastank zu der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels durch einen gepulsten Injektor offenbart. Der Anodensubsystemdruck wird kurz vor dem Injektorimpuls und kurz nach dem Injektorimpuls gemessen, und es wird eine Differenz zwischen den Drücken bestimmt. Die Differenz zwischen den Drücken, das Volumen des Anodensubsystems, die ideale Gaskonstante, die Anodensubsystemtemperatur, der Brennstoff, der von der Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel während des Injektionsereignisses verbraucht wird, wie auch der Brennstoffübertritt durch Membranen in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels werden dazu verwendet, die Menge an Wasserstoffgas, die durch den Injektor injiziert wird, zu bestimmen.
  • Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems;
  • 2 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Injektorbetrieb an der vertikalen Achse, das einen Injektorzyklus für einen Injektor in dem System von 1 zeigt;
  • 3 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Druck an der vertikalen Achse, das den Druck in dem Anodensubsystem in Ansprechen auf Injektorimpulse zeigt;
  • 4 ist ein Flussblockschaubild, das einen vorgeschlagenen Algorithmus zur Verwendung von Anodensubsystemdrücken zeigt, um eine Anodenströmung und Leckdetektion zu bestimmen;
  • 5 ist ein Flussblockschaubild, das einen Algorithmus zeigt, der das Injektoreinschaltverhältnis festlegt; und
  • 6 ist ein Funktionsblockschaubild, das einen Algorithmus zur Reduktion einer Injektorfrequenz zur Leckdiagnose zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zur Bestimmung der Menge an Brennstoffströmung zu einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung von Anodensubsystemdrücken gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken. Beispielhaft besitzt die vorliegende Erfindung eine bestimmte Anwendung für ein Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug. Jedoch kann, wie dem Fachmann angemerkt sei, das Verfahren der Erfindung Anwendungen für andere Typen von Brennstoffzellensystemen besitzen.
  • 1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Wasserstoffgas von einer Hochdruck-Wasserstoffgasquelle 14, wie einem Tank, wird an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anodeneingangsleitung 16 geliefert. Das Wasserstoffgas von der Quelle 14 wird durch einen Druckregler 18 geregelt und durch einen Injektor 20 in den Stapel 12 injiziert. Der Injektor 20 ist dazu bestimmt, einen einzelnen Injektor oder eine Reihe von Injektoren zu repräsentieren, wie für die hier beschriebenen Zwecke geeignet sind. Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 wird auf einer Anodenabgasleitung 22 ausgegeben. Ein Ablassventil 24 ist in der Anodenabgasleitung 22 vorgesehen und wird periodisch geöffnet, um Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf eine Weise abzulassen, die dem Fachmann in der Technik gut bekannt ist. Bei dieser Konstruktion wird das Ablassventil 24 allgemein geschlossen, wenn der Stapel 12 mit geschlossenem Ende arbeitet. Bei alternativen Konstruktionen, die mit der Diskussion hier konsistent sind, kann das Anodenabgas zurück an die Anodeneingangsleitung 16 unter Verwendung eines Anodenrezirkulationskreislaufs rezirkuliert werden. Ein Anodensubsystemdruck. Die Anordnung des Drucksensors 26 ist dazu bestimmt, jede geeignete Stelle zum Messen des Drucks an dem Anodeneinlass, dem Anodenauslass oder einer Rückführleitung zwischen dem Anodeneinlass und -auslass zu repräsentieren.
  • Das System 10 umfasst auch eine Hochtemperaturpumpe 28, die ein Kühlfluid durch einen Kühlmittelkreislauf 30 außerhalb des Stapels 12 und durch Kühlfluidströmungskanäle in dem Stapel 12 auf eine Weise pumpt, die dem Fachmann in der Technik gut verständlich ist. Ein Temperatursensor 32 misst die Temperatur des durch den Kühlmittelkreislauf 30 strömenden Kühlfluides und kann an einer beliebigen geeigneten Stelle in dem Kühlmittelkreislauf 30 vorgesehen sein, wie an einem Einlass zu dem Stapel 12, wo das Kühlfluid typischerweise am kältesten ist, oder an einem Auslass des Brennstoffzellenstapels 12, wo das Kühlfluid typischerweise am heißesten ist. Ein Controller 34 empfängt ein Drucksignal von dem Drucksensor 26 und ein Temperatursignal von dem Temperatursensor 32 und steuert das Einschaltverhältnis des Injektors 20 und die Position des Ablassventils 24.
  • 2 ist ein Schaubild mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Injektorbetrieb zwischen einem Aus-Zustand und einem Ein-Zustand an der vertikalen Achse, das den Zyklus des Injektors 20 zeigt. Es sind zwei Injektorimpulse gezeigt, die eine Injektionsdauer aufweisen, wenn der Injektor 20 offen ist. Die Zeit von dann, wenn der Injektor 20 zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, bis zu dann, wenn der Injektor 20 zu einem nächsten Zeitpunkt eingeschaltet wird, ist die Injektorperiode und ist gleich 1 geteilt durch die Injektorfrequenz. Das Injektoreinschaltverhältnis ist die Injektordauer geteilt durch die Injektorperiode. Eine Zeit von dann, wenn der Injektor 20 abgeschaltet wird, zu dem nächsten Zeitpunkt, wenn er eingeschaltet wird, ist als die Injektorverfallsdauer bekannt.
  • Während jedes Injektionsereignisses, das durch die Zeit der Injektionsdauer definiert ist, ist ein Anstieg des Anodensubsystemdrucks, der durch den Drucksensor 26 gemessen wird, zu sehen, da die augenblickliche Injektionsrate die Brennstoffverbrauchsrate durch den Stapel 12 überschreitet. Dieser Druckanstieg kann dazu verwendet werden, die Menge an Wasserstoffgas, die in den Stapel 12 für jedes Injektionsereignis injiziert wird, zu messen, um die Brennstoffströmung zu dem Stapel 12 zu bestimmen. Falls das System 10 ein geschlossenes System ist, kann, wenn das Ablassventil 24 geschlossen wird, die in den Stapel 12 injizierte Menge an Wasserstoffgas Ninj definiert werden durch: Ninj = (P2 – P1)V/RT + Nii + Nxoi (1) wobei Ninj die Menge an injiziertem Brennstoff (mol) ist, P2 der Anodensubsystemdruck nach dem Injektionsereignis ist (kPa), P1 der Anodensubsystemdruck vor dem Injektionsereignis ist (kPa), V das Anodensubsystemvolumen (L) ist, R die ideale Gaskonstante ist (8,315 kPa – L/mol – K), T die Anodensubsystemtemperatur ist (K), Nii der aufgrund der Reaktion in dem Stapel während des Injektionsereignisses verbrauchte Brennstoff ist (mol) und Nxoi der Gas- oder Brennstoffübertritt während des Injektionsereignisses ist (mol).
  • Die injizierte Menge an Brennstoff Ninj ist die Menge an Brennstoff, die während des Injektionsereignisses injiziert wird, in mol. Der verbrauchte Brennstoff Nii aufgrund der Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 12 während des Injektionsereignisses ist die Menge an Brennstoff, die von dem Stapel 12 verwendet wird, und kann durch eine gemessene Stromdichte des Stapels 12 bestimmt werden. Der Brennstoffübertritt Nxoi während des Injektionsereignisses ist diejenige Menge an Wasserstoffgas, die durch die Membran in den Brennstoffzellen während des Injektionsereignisses hindurch dringt, und basiert auf der Membranpermeabilität und ist eine Funktion vieler Parameter, wie Membranmaterial, Anodendruck, Kathodendruck, Temperatur, etc. Das Volumen V des Anodensubsystems ist aus der Stapelkonstruktion bekannt. Die Anodensubsystemtemperatur T kann durch die Stapelkühlmitteltemperatur unter Verwendung des Sensors 32 bereitgestellt werden. Bei Niedrigleistungsbetrieb besitzt die Brennstoffinjektion, die durch dieses Verfahren geschätzt wird, eine verbesserte Genauigkeit, da der verbrauchte und Übertrittsbrennstoff während der kurzen Injektionsperiode relativ gering sind. Die Genauigkeit der Messung wird ferner durch Betrieb bei einer geringeren Injektorfrequenz verbessert, da der Druckanstieg für ein Injektionsereignis erhöht ist.
  • 3 ist ein Schaubild mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Druck an der vertikalen Achse, das den Anodensubsystemdruck P während und zwischen Injektionsereignissen zeigt. Ein Injektionsereignis ist durch einen scharfen Abfall in dem Anodensubsystemdruck, wenn der Injektor 20 offen ist, und dann einen scharfen Anstieg in dem Anodensubsystemdruck, wenn der Injektor 20 geschlossen ist, identifiziert. Der Druck P1 wird bereitgestellt, kurz bevor der Injektor 20 geöffnet wird, und der Druck P2 wird bereitgestellt, kurz nachdem der Injektor 20 geschlossen ist. Der Druckanstieg für jeden Impuls wird dazu verwendet, den injizierten Brennstoff zu schätzen. Der Druck P3 ist typischerweise gleich dem Druck P1 und ist der Anodensubsystemdruck bei dem nächsten Injektionsereignis. Die Druckcharakteristiken, die hier diskutiert sind, sind spezifisch für ein System mit einer strahlpumpengetriebenen Rückführung mit einem Druckwandler und dem Rückführkreislauf. Der anfängliche Druckabfall erfolgt aufgrund des Ansaugens der Strahlpumpe und der letzte Anstieg aufgrund des Stopps der Ansaugung von der Strahlpumpe. Jedoch umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Druckänderung über die gesamte injektions/strahlpumpengetriebene Rückführung derselben. Der Injektionsereigniszeitablauf ist bekannt, da der Controller den Injektionsbetrieb antreibt.
  • Der Druckverfall zwischen dem Zeitpunkt, wenn der Injektor 20 bei Druck P2 geschlossen wird, bis zu dem nächsten Zeitpunkt, wenn der Injektor 20 bei Druck P3 geöffnet wird, kann dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob Lecks in dem Anodensubsystem vorhanden sind. Insbesondere kann die Gleichung (2) unten dazu verwendet werden, Lecks zu bestimmen. Nleak = (P2 – P3)V/RT – Nio – Nxoo (2) wobei Nleak die Menge an Wasserstoffgas ist, die zwischen Injektionsereignissen leckt (mol), P3 der Anodensubsystemdruck nach der Verfallsdauer ist (kPa), Nio der Brennstoff ist, der aufgrund der Reaktion in dem Stapel während der Verfallsdauer verbraucht wird (mol), und Nxoo der Brennstoffübertritt während der Verfallsdauer ist (mol).
  • Bei Niedrigleistungsbetrieb besitzt die Leckschätzung eine verbesserte Genauigkeit, da die Brennstoffverbrauchsrate allmählich reduziert wird, typischerweise 20–100 mal geringer als volle Leistung, während die Leckrate nur geringfügig reduziert wird, typischerweise 4–8 mal geringer, da die Differenzdrücke, die Lecks antreiben, bei geringem Druck typischerweise reduziert sind. Die Genauigkeit bei dieser Messung ist mit längeren Verfallsdauern weiter verbessert, da die Druckänderung erhöht ist. Dieser Typ an verlängerter Verfallsdauer kann auf einer sehr begrenzten Basis ausgeführt werden, wie einmal pro Fahrzyklus, um einen potentiellen Haltbarkeitseinfluss aufgrund einer Anodenverarmung zu beschränken. Die leckende Menge kann durch die Verfallsdauer normalisiert werden, um eine durchschnittliche Leckrate zu erhalten. Die Verfallsdauer kann zur Normalisierung verwendet werden, da angenommen wird, dass das Leck mit derselben Rate während der Injektionsdauer auftritt.
  • Die Anode ist normalerweise druckgesteuert anstatt strömungsgesteuert, so dass eine Beseitigung des Lieferleitungsdrucks und der Temperatur eine normale Steuerung nicht beeinträchtigt. Jedoch werden die Inbetriebnahmedruckbeaufschlagung und die Sammelleitungsspülung im Strömungssteuermodus ausgeführt. Das Druckansprechen des Druckbeaufschlagungsschritts kann dazu verwendet werden, den durchschnittlichen Injektordurchfluss zu schätzen, und dieser Injektorbetrieb kann für die Sammelleitungsspülung fortgesetzt werden. Nicht alle Systeme verwenden einen Druckbeaufschlagungsschritt und besitzen eine Spülung, jedoch kann das Druckansprechen bei Inbetriebnahme oder einem beliebigen Punkt im Betrieb des Systems dazu verwendet werden, den durchschnittlichen Injektordurchfluss zu schätzen, um eine Optimalwertsteuerung des Injektors 20 zuzulassen.
  • Der Lieferleitungsdruck ist auch dazu verwendet worden, einen Tankventilverschluss zu verifizieren, jedoch kann auch der Druck in einer Gasbehandlungseinheit verwendet werden. Während eines Wasserstoffzusatzes bei Abschaltzeit kann der Lieferleitungsdruck dazu verwendet werden, eine Wasserstoffverfügbarkeit zu verifizieren. Ohne diesen Druck kann die Wasserstoffverfügbarkeit nach einem Anodenfüllversuch bestimmt werden, wenn die Anodenfüllung den Druck erhöht, dann wies die Lieferleitung Druck vor dem Füllereignis auf. Wenn das Füllereignis nicht erreicht wird, dann müsste das Wasserstofflieferventil geöffnet werden, um eine Anodenfüllung bereitzustellen. Alternativ dazu kann sich der Prozess auf einen Gasbehandlungseinheitsdruck anstelle des Lieferleitungsdrucks verlassen, um zu bestimmen, ob das Tankventil geöffnet werden muss, um einen Wasserstoffzusatz bei Abschaltzeit zu unterstützen.
  • Die Injektorströmung wird durch das Injektoreinschaltverhältnis und die Injektorfrequenz gesteuert. Die Injektorströmung wird hauptsächlich durch das Einschaltverhältnis gesteuert, jedoch ist bei sehr geringen Einschaltverhältnissen die Injektionsdauer zu kurz für eine wiederholbare Injektoröffnung bei höheren Injektorfrequenzen. Somit wird die Injektorfrequenz bei niedriger Leistung (geringem Einschaltverhältnis) verringert, so dass jedes Injektionsereignis eine vernünftige Dauer haben kann. Für ein Injektor/Ejektor-getriebenes Rückführsystem ist ebenfalls eine minimale Injektionsdauer erwünscht, so dass der vollständige Differenzdruck entwickelt werden kann, um eine Wasserbewegung innerhalb und aus den Anodenströmungskanälen des Stapels 12 zu unterstützen.
  • 4 ist ein Flussblockschaubild für ein System 40, das ein Verfahren zeigt, um die maximale Injektorströmung zu schätzen, wie oben diskutiert ist. Die maximale Injektorströmung wird aus dem Druckansprechen des Anodensubsystems vorheriger Injektionsereignisse bestimmt. Aufgrund der gepulsten Beschaffenheit der Strömung muss das Anodensubsystemdrucksignal gefiltert werden, um den Druck bei der gewünschten Zeit in dem Injektionszyklus zu extrahieren. Idealerweise kann ein Signal der Injektoröffnung als der logische Filter für das Drucksignal verwendet werden. Bevorzugt ist das Injektoröffnungssignal verfügbar, da dies dazu verwendet werden kann, die Zeit innerhalb des Injektionszyklus zu bestimmen. Ansonsten kann die Druckkurve verwendet werden, um zu folgern, wann Injektionsereignisse aufgetreten sind.
  • Kasten 42 empfängt das Drucksignal von dem Drucksensor 26 und ein Signal, das angibt, dass der Injektor 20 offen ist, und gibt die Drücke P1, P2 und P3 aus. Ein Injektionsschätzprozessorkasten 44 empfängt die Drücke P1 und P2 von dem Kasten 42 und den Brennstoff, der aufgrund der Reaktion während des Injektionsereignisses Nii verbraucht wurde, den Brennstoffübertritt während des Injektionsereignisses Nxoi und das Temperatursignal von dem Temperatursensor 32. Der Prozessorkasten 44 verwendet die Gleichung (1), um die Menge an injiziertem Brennstoff Ninj zu berechnen. Die Injektionsschätzung Ninj wird dazu verwendet, die Menge an Wasserstoff, die während eines Injektionsereignisses injiziert wird, zu bestimmen. Die Injektionsschätzung Ninj wird bei Kasten 46, der das Injektoreinschaltverhältnis und die Frequenz empfängt, auf die maximale Strömung auf Grundlage des Einschaltverhältnisses des Injektors 20 auf 100% DC skaliert.
  • Auf Grundlage der Injektionsdauer kann eine Korrektur verwendet werden, die aus der Injektorfrequenz und dem Einschaltverhältnis bestimmt ist, um Öffnungs- und Schließzeiten des Injektors zu berücksichtigen. Es sei zu verstehen, dass die Injektorschätzung nur durchgeführt werden sollte, wenn das Anodenablassventil 24 geschlossen ist. Jedoch kann es bei alternativen Ausführungsformen möglich sein, die Ablassströmung zu schätzen und die Anodenströmung auf Grundlage der Schätzungen zu korrigieren. Der aus der maximalen Injektorströmung erhaltene Wert umfasst die Wirkungen von dem Brennstofflieferdruck und der Temperatur wie auch den Injektorströmungskoeffizienten und kann für verschiedene Injektionszyklen verwendet werden, da sich die Lieferbedingungen nicht sehr schnell ändern, da das stromaufwärtige Volumen im Vergleich zu dem Injektionsvolumen relativ groß ist. Die maximale Injektorströmung kann gemittelt und/oder gefiltert werden, um ein glatteres Steueransprechen zu erhalten. Für herkömmliche Steuerungen kann zur Schätzung der maximalen Injektorströmung ein Modell des Injektors als eine gedrosselte Mündung verwendet werden, das den Brennstofflieferdruck und die Temperatur erfordert. Für beide Verfahren wird die gewünschte bzw. Soll-Injektorströmung geteilt durch den maximalen Injektor dazu verwendet, das Injektoreinschaltverhältnis zu setzen, das die Wasserstoffströmung steuert. 5 ist ein Blockschaubild eines Systems 52, das einen Prozess zur Bestimmung des Injektoreinschaltverhältnisses zeigt, der die Division der Soll-Strömung durch den Injektor 20 hindurch durch die maximale Strömung umfasst.
  • Wie oben diskutiert ist, können die Anodendruckkurven zwischen Injektionsereignissen dazu verwendet werden, eine Anodensubsystemleckage zu schätzen. Ein Leckschätzprozessorkasten 48 empfängt die Drücke P2 und P3, den Brennstoff, der aufgrund der Reaktion während der Verfallszeit Nio verbraucht wurde, und den Brennstoffübertritt während der Verfallsdauer Nxoo, und berechnet eine Leckschätzung Nleak unter Verwendung der Gleichung (2). Der Wert Nleak wird dann bei Kasten 50 auf volle Zeit skaliert, der auch das Injektoreinschaltverhältnis und die Frequenz empfängt, um eine Leckrate zu bestimmen. Die Leckschätzung von der Gleichung (2) verwendet den Druckverfall zwischen den Drücken P2 und P3 zwischen Injektionsereignissen, um den Wasserstoffverlust in dem Anodensubsystem zu bestimmen. Ein Anteil dieses Wasserstoffgases wird verbraucht, wie durch die gemessene Stromdichte bestimmt ist, und von einem Teil wird erwartet, dass er über die Membran übertritt. Die Differenz wird als ein Leck während der Zeit des Druckverfalls betrachtet. Das Lecksignal kann durch diese Zeitperiode, d. h. die Zeit zwischen den Druckverfalls-Druckmessungen P2 und P3, auf eine Leckrate skaliert werden, was als die Verfallsdauer auf Grundlage der Injektorfrequenz und dem Einschaltverhältnis angenähert werden kann.
  • Für herkömmliche Steuerungen nimmt eine Schätzung der Leckage die Differenz zwischen dem dosierten Eingang und dem verbrauchten Wasserstoffgas, wie durch die gemessene Stromdichte und den erwarteten Übertritt bestimmt ist. Dieses Leckdetektionsverfahren kann auch mit dem vorgeschlagenen Verfahren der Brennstoffdosierung ohne den Brennstofflieferdruck und die Temperatur verwendet werden. Die Leckschätzung kann über verschiedene Injektionszyklen integriert sein, um die Genauigkeit zu verbessern.
  • Es sei zu verstehen, dass die Leckschätzungen nur ausgeführt werden sollten, wenn das Anodenablassventil 24 geschlossen ist. Wenn die Leckrate einen Schwellenwert überschreitet, kann das System eine Diagnose festsetzen, um eine Wartung anzufordern. Eine mögliche Quelle eines Überschusslecks ist ein im offenen Zustand verklemmtes Ablassventil, so dass eine Korrekturwirkung auch eine erhöhte Abgasverdünnung aufweisen kann.
  • Um die Genauigkeit des Druckverfalls auf Grundlage der Leckschätzung zu verbessern, kann die Verfallsdauer durch Verwendung einer geringeren Injektionsfrequenz erhöht werden und die Verfallsdauer ist bei geringeren Einschaltverhältnissen auch länger. Längere Verfallsdauern können periodisch verwendet werden, um eine genauere Leckschätzung bereitzustellen, wenn diese für die Diagnosezwecke angefordert ist. 6 ist ein Blockschaubild eines Systems 54, um dies zu veranschaulichen. Ein sehr langer Verfall ist aufgrund des höheren Druckzyklusverlaufs und eines Potentials für eine Anodenverarmung mit längeren Zeiten zwischen Injektionsereignissen gewöhnlich nicht erwünscht, was die Membranhaltbarkeit beeinträchtigen könnte. Aus diesem Zweck werden die längeren Verfallszeiten bevorzugt nur weniger häufig wie zur Leckdiagnose erforderlich verwendet.
  • Korrekturen für Stickstoffübertritt können in den Injektor- und Leckschätzungen verwendet werden. Eine Korrektur der Leckage kann in der Injektorschätzung verwendet werden. Diese Leckschätzung kann auch dazu verwendet werden, die gewünschte Strömungsanforderung zu erhöhen, um die Leckage zu kompensieren.
  • Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen einer Brennstoffströmung durch eine gepulste Vorrichtung, die Wasserstoffbrennstoff von einer Wasserstoffquelle zu einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels liefert, wobei das Verfahren umfasst, dass: Vorrichtungsereignisse bei offener Vorrichtung bestimmt werden; der Druck der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels kurz vor einem Vorrichtungsereignis bestimmt wird; der Druck der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels kurz nach dem Vorrichtungsereignis bestimmt wird; und die Brennstoffströmung unter Verwendung der Differenz zwischen dem Druck kurz nach dem Vorrichtungsereignis und dem Druck kurz vor dem Vorrichtungsereignis bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Drucks der Anodenseite die Verwendung eines Drucksensors umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gepulste Vorrichtung ein Injektor ist und das Vorrichtungsereignis ein Injektorereignis bei offener Vorrichtung ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen des Injektorereignisses umfasst, dass eine Frequenz und ein Einschaltverhältnis des Injektors bestimmt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Brennstoffströmung auch die Verwendung eines Volumens eines Anodensubsystems und einer Temperatur des Anodensubsystems umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Bestimmen der Brennstoffströmung auch die Verwendung einer idealen Gaskonstante, des durch den Stapel während des Vorrichtungsereignisses verbrauchten Brennstoffs und eines Brennstoffübertritts durch Membranen in Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels während des Vorrichtungsereignisses umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der durch den Stapel während des Vorrichtungsereignisses verbrauchte Brennstoff aus einem gemessenen Stapelstrom berechnet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Brennstoffübertritt während des Vorrichtungsereignisses auf Grundlage der Membranpermeabilität berechnet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass unter Verwendung der Differenz zwischen dem Druck an dem Ende des Vorrichtungsereignisses und dem Druck kurz vor dem Beginn eines nächsten Vorrichtungsereignisses bestimmt wird, ob ein Leck in dem Anodensubsystem während einer Verfallsdauer zwischen Vorrichtungsereignissen vorhanden ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren eine Brennstoffströmung durch die gepulste Vorrichtung nur bestimmt, wenn ein Anodenablassventil geschlossen ist.
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