DE102011009357A1 - Selbsterlernen eines basisstapelwiderstands für eine hfr-basierte rh-steuerung - Google Patents

Selbsterlernen eines basisstapelwiderstands für eine hfr-basierte rh-steuerung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Membranbefeuchtung durch Bestimmung des Membranprotonenwiderstandes eines Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen und Normalisieren des Basiswiderstandes des Brennstoffzellenstapels gegenüber dem Basiswiderstand eines Referenz-Brennstoffzellenstapels.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Bestimmung des Membranprotonenwiderstandes eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Hochfrequenzwiderstandes und insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen des Membranprotonenwiderstandes eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Hochfrequenzwiderstandes durch Bestimmung, wie viel von dem Gesamthochfrequenzwiderstand durch verschiedene Nichtmembranwiderstände bewirkt wird, und dann durch Beseitigen dieser Widerstände.
  • 2. Diskussion 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). Jede MEA ist gewöhnlich schichtartig zwischen zwei Lagen aus porösem Material, einer Gasdiffusionsschicht (GDL), angeordnet, die die mechanische Stabilität der Membran schützt und eine gleichförmige Reaktanden- und Feuchteverteilung unterstützt. Derjenige Teil der MEA, der die Anoden- und Kathodenströmungen trennt, wird als der aktive Bereich bezeichnet, und nur in diesem Bereich können die Wasserdämpfe frei zwischen der Anode und Kathode getauscht werden. 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 (Separatoren) 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 anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler (Strömungsfelder) 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 Kathodengasströmungskanale 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 Strömungskanale auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
  • Es ist bekannt, dass Brennstoffzellenmembranen eine Wasseraufnahme besitzen, die notwendig ist, um eine Protonenleitfähigkeit bereitzustellen. Das Wasseraufnahmeverhalten von Brennstoffzellenmembranen bewirkt jedoch eine Zunahme des Volumens der Membranen, wenn Bedingungen feuchter oder nasser werden, und eine Verringerung von Volumen, wenn Bedingungen trockener werden. Änderungen des Volumens der Zellenmembranen können eine mechanische Beanspruchung an der Membran selbst und den benachbarten Brennstoffzellenkomponenten bewirken. Zusätzlich kann eine Membran, die zu feucht ist, Probleme während Niedertemperaturumgebungen bewirken, wobei ein Gefrieren des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel Eis erzeugen kann, das Strömungskanäle blockiert und den Neustart des Systems beeinträchtigt. Membranen, die zu trocken sind, können eine zu geringe elektrische Leitfähigkeit bei dem nächsten Systemneustart besitzen, die die Neustartleistungsfähigkeit beeinträchtigt und eine Stapelhaltbarkeit reduzieren kann.
  • In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas eines Brennstoffzellenstapels abzufangen und das Wasser dazu zu verwenden, die Kathodeneingangsluftströmung zu befeuchten. In der Technik ist es auch bekannt, Sensoren für relative Feuchte (RH) zu verwenden, um die Befeuchtung der Kathodeneingangsluftströmung zu überwachen. Jedoch können RH-Sensoren teuer und unzuverlässig sein. Daher besteht ein Bedarf in der Technik, ein Verfahren zur Beibehaltung eines geeigneten Niveaus an Zellenmembranbefeuchtung bereitzustellen, ohne sich auf RH-Sensoren zu verlassen.
  • Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) ist eine gut bekannte Eigenschaft von Brennstoffzellen und steht eng in Verbindung mit dem ohmschen Widerstand oder dem Membranprotonenwiderstand von Brennstoffzellenmembranen. Der ohmsche Widerstand ist selbst eine Funktion des Grades an Brennstoffzellenmembranbefeuchtung. 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 auch eine unabhängige Messung der Brennstoffzellenmembranbefeuchtung, wodurch der Bedarf nach RH-Sensoren beseitigt wird. Jedoch können Variationen in den HFR-Messungen der Zellenmembranen von Stapel zu Stapel aus verschiedenen Gründen auftreten, einschließlich HFR-Messfehlern (Vorspannung), Variationen der Stapelmaterialien oder Variationen der Stapelkonstruktion oder -kompression. Ferner können Variationen der HFR-Messungen auch aufgrund einer Verschlechterung von Stapelkomponenten über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels, wie Delaminierung, auftreten, was eine Zunahme des Kontaktwiderstandes zur Folge hat. Diese Variationen der HFR-Messungen können kumulativ als Nicht-Membrankontaktwiderstände bezeichnet werden. Nicht-Membrankontaktwiderstände werden als ”Rauschen” betrachtet und können zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Zellenmembranbefeuchtung führen. Der Nicht-Membrankontaktwiderstand kann ziemlich groß sein, z. B. 20 Milliohm-cm2.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf in der Technik, zu berechnen, wie viel von der HFR-Messung durch verschiedene Nicht-Membrankontaktwiderstände bewirkt wird, um zu ermöglichen, dass das Steuersystem des Brennstoffzellenstapels den HFR entfernt, der durch Nicht-Membrankontaktwiderstände bewirkt wird, um zu bestimmen, wie viel von der Gesamt-HFR-Messung durch den Protonenwiderstand der Brennstoffzellenmembran bewirkt wird, auch bekannt als der Basis-Hochfrequenzwiderstand des Brennstoffzellenstapels.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Membranbefeuchtung durch Bestimmung des Membranprotonenwiderstandes eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer hochfrequenzwiderstandsbasierten Steuerung der relativen Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das Verfahren umfasst, dass der Basiswiderstand des Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen festgestellt wird und der Basiswiderstand des Brennstoffzellenstapels gegenüber dem Basiswiderstand eines Referenz-Brennstoffzellenstapels normalisiert wird.
  • 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;
  • 2a–2c sind aufgezeichnete Schaubilder des HFR von fünfzig Brennstoffzellenstapeln, die unter trockenen Bedingungen, feuchten Bedingungen bzw. normalisiert betrieben wurden; und
  • 3 ist ein Schaubild mit der relativen Feuchte an der x-Achse und dem HFR an der y-Achse, das die Beziehung zwischen dem HFR und der relativen Feuchte bei drei verschiedenen Stapelstromdichten veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Basisstapelwiderstandes für eine hochfrequenzwiderstandsbasierte Steuerung der relativen Feuchte gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken.
  • 1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 14 auf einer Anodeneingangsleitung 16 auf und liefert ein Anodenabgas auf Leitung 18. Ein Ablassventil 26 ist in der Anodenabgasleitung 18 vorgesehen, um zu ermöglichen, dass nach Bedarf Anodenabgas ausgestoßen wird. Ein Kompressor bzw. Verdichter 20 liefert eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 22 durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit 24, 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 24, um die Feuchte zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Eine Bypassleitung 30 ist um die WVT-Einheit 24 vorgesehen, um zu ermöglichen, dass das Kathodenabgas die WVT-Einheit 24 umgehen kann. Ein Bypassventil 32 ist in der Bypassleitung 30 vorgesehen und wird gesteuert, um das Kathodenabgas selektiv durch und um die WVT-Einheit 24 umzulenken, um die gewünschte Menge an Feuchte für die Kathodeneingangsluft bereitzustellen.
  • Ein HFR-Sensor 36 misst den Hochfrequenzwiderstand (HFR von engl.: ”high frequency resistance”) des Brennstoffzellenstapels 12, um die Zellenmembranbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels 12 zu bestimmen. Der HFR-Sensor 36 arbeitet durch Messen des ohmschen Widerstandes oder des Membranprotonenwiderstandes des Brennstoffzellenstapels 12. Der Membranprotonenwiderstand ist eine Funktion der Membranbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels 12, jedoch kann durch Unterschiede in Konstruktionsparametern, wie Kompression und Variabilität von Teilen, Degradation von Brennstoffzellenstapelkomponenten über die Lebensdauer des Stapels 12 und Messfehler von dem HFR-Sensor 36 selbst eine Variation von Stapel zu Stapel in den HFR-Sensormessungen bewirkt werden. Daher müssen HFR-basierte Membranbefeuchtungssteuersysteme in der Lage sein, diese Variationen anzupassen, um sicherzustellen, dass das Befeuchtungsniveau der Brennstoffzellenmembran auf einem geeigneten Niveau für die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 gehalten wird.
  • Das System 10 weist auch einen Controller 34 auf, der HFR-Messsignale von dem Sensor 36 empfangt und die Drehzahl des Kompressors 20, die Injektion von Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 14 und die Position des Bypassventils 32 und des Ablassventils 26 steuert.
  • Eine Variation in Teilen in dem Rest der Anlage (d. h. Rest der Anlage) kann die Brennstoffzellenstapelbefeuchtung ebenfalls beeinträchtigen. Beispielsweise wird angenommen, dass ein Fahrzeug eine ineffiziente WVT-Einheit und einen Brennstoffzellenstapel mit einer niedrigen HFR-Sensorablesung aufweist. Dieser Brennstoffzellenstapel läuft trockener als erwünscht, und der HFR-Sensor detektiert dies nicht. Alternativ dazu sei angenommen, dass ein anderes Fahrzeug eine WVT-Einheit mit einem hohen Wirkungsgrad und einem Brennstoffzellenstapel mit einer hohen HFR-Sensorablesung aufweist. Dieser Brennstoffzellenstapel läuft feuchter als gewünscht, und der HFR-Sensor detektiert dies nicht. Zusätzlich kann auch der Rest der Anlagenobjekte, wie Ventile, Thermoelemente, Wärmetauscher, Druck- und Delta-P-Wandler, etc. Variationen in HFR-Sensormessungen bewirken.
  • Die 2a–2c sind aufgezeichnete Schaubilder der HFR-Messungen von fünfzig Brennstoffzellenstapeln, die unter trockenen Bedingungen, feuchten Bedingungen bzw. normalisiert betrieben werden. Die 2a–2c zeigen, dass eine Variation enger wird, wenn der tatsächliche HFR in Bezug auf die Stapel-HFR-Messung unter feuchten Bedingungen normalisiert ist. Bei Betrieb unter trockenen Bedingungen und feuchten Bedingungen weisen die Stapel eine Variation in HFR-Messungen auf, die ziemlich groß sein kann, wie in den 2a und 2b gezeigt ist. 3 ist ein Schaubild mit der RH an der x-Achse und dem HFR an der y-Achse, das zeigt, dass, wenn sich das Niveau der Zellenmembranbefeuchtung 100% annähert, die HFR-Messung der Zellenmembran zu einem bekannten Wert ungeachtet der Variation der HFR-Sensormessungen, die bei geringeren RH-Werten auftreten können, konvergiert. Somit wird die Variation des HFR der Stapel der 2, die unter trockenen Bedingungen betrieben sind, beseitigt, da die Stapel auf einen bekannten Wert bei Zellenmembransättigung konvergieren. Somit wird ein HFR-”Rauschen” beseitigt, wenn die Brennstoffzellenstapel einen RH-Wert gleich oder größer als 100% erreichen. Diese Konvergenz auf einen bekannten Wert bei Membransättigung ist in dem normalisierten aufgezeichneten Schaubild von 2 gezeigt. Demgemäß kann ein Membranprotonenwiderstand unter Verwendung der folgenden Gleichung veranschaulicht werden: HFR = HFRbase + f(RH) (1)
  • Wobei HFRbase der Basisstapelwiderstand der Brennstoffzellenmembran ist und f(RH) der Widerstandsanstieg der Brennstoffzellenmembran als eine Funktion der relativen Feuchte ist.
  • Zurück zu 2 zeigen die Brennstoffzellenstapel in dem normalisierten aufgezeichneten Diagramm, dass, sobald ein HFR-”Rauschen” bestimmt und für jeden Brennstoffzellenstapel subtrahiert ist, wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, der verbleibende Membranwiderstand für jeden der Brennstoffzellenstapel ähnlich ist, beispielsweise etwa 90 Milliohm-cm2. Somit kann durch Entfernung von HFR-”Rauschen” aufgrund verschiedener Kontaktwiderstände und anderer Nichtmembranwiderstände eine Brennstoffzellenmembranbefeuchtung für jeden Brennstoffzellenstapel mit einem vernünftigen Genauigkeitsgrad berechnet werden. Wie das HFR-”Rauschen” bestimmt und herausgefiltert wird, ist nachfolgend detailliert dargestellt.
  • Ein Weg, um eine Variation der HFR-Messung von Stapel zu Stapel aufgrund von HFR-”Rauschen” zu berücksichtigen, besteht darin, jeden Membranprotonenwiderstand des Brennstoffzellenstapels durch Bestimmung des Basiswiderstandes (j) bei befeuchteten Bedingungen (HFR wet / j ) festzustellen und diesen gegenüber der HFR-Messung eines Bezugs-Brennstoffzellenstapels zu normalisieren, wie eines Brennstoffzellenstapels, von dem bekannt ist, dass er eine genaue Kompression und somit keinen merklichen Kontaktwiderstand aufweist (d. h. ein Stapel ohne ”Rauschen”). Um einen Basisstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen oder einen Membranprotonenwiderstand festzustellen, sind die folgenden Optionen verfügbar: (1) Sicherstellen, dass der Stapel über den Basisstapelwiderstand der befeuchteten Bedingungen verfügt, der während der Übergabe zu dem Modul festgestellt ist, d. h. vor dem Einsetzen in ein Fahrzeug, (2) Feststellen eines Basisstapelwiderstandes bei befeuchteten Bedingungen durch feuchten Betrieb des Stapels, wobei der Controller 34 dies vor Einsetzen des Brennstoffzellenstapels in ein Fahrzeug selbst lernt (beispielsweise durchlaufen bei bestimmten Situationen Module einen ”Einbruch”-Hydratationsschritt, wodurch ein Selbsterlernen bei diesem Schritt mit dem in dem Speicher des Controllers 34 gespeicherten Wert kombiniert werden kann), oder (3) Zulassen, dass ein Basisstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen durch den Controller 34 gelernt wird, nachdem der Brennstoffzellenstapel 12 an der Stelle in einem Fahrzeug angeordnet ist, und während einer kalten und feuchten Inbetriebnahme bestimmt wird. Wenn sich zusätzlich ein Kontaktwiderstand über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 merklich ändert, kann es notwendig werden, einen Basisstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen periodisch zu bestimmen, während sich ein Fahrzeug bei einem kalten und feuchten Start befindet.
  • Sobald es bestimmt ist, dass der Basiswiderstand des Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen bestimmt werden muss, was periodisch über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 auftreten kann, besteht der erste Schritt für den Controller 34 darin, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 bei Einschalten zu bestimmen, um sicherzustellen, dass der Stapel 12 nicht warm ist, da eine Sättigung der Stapelmembrane Teil des Selbsterlernungsprozesses ist und leichter unter Verwendung eines kalten und feuchten Starts erreicht wird. Eine Kalibrierung und Implementierung können auf Grundlage von Umgebungstemperatur die Verwendung eines Auslösers und somit keine aktive Diagnose bestimmen. Dem Fachmann ist es leicht offensichtlich, dass verschiedene Verfahren zur Bestimmung, dass die Temperatur zur Implementierung der Bestimmung des Basiswiderstandes des Brennstoffzellenstapels bei feuchten Bedingungen geeignet ist, ohne Abweichung von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verfügbar sind.
  • Sobald der Controller 34 bei Einschalten bestimmt, dass der Brennstoffzellenstapel 12 kalt ist, wird das Niveau an relativer Feuchte, die von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf der Kathodenaustragsleitung 28 ausgetragen wird, auf größer als oder gleich 100% eingestellt. Der Basisstöchiometriesollwert wird ebenfalls erhöht, wobei die Basisstöchiometrie bei geringer Stapelleistung doppelt so hoch wie die Nennstöchiometrie oder höher sein kann. Die Einlass-RH an der Kathodenlufteingangsleitung 22 wird auf etwa 80% eingestellt, um die WVT-Einheit 24 vollständig zu verwenden. Die Erhöhung der Stöchiometrie senkt den Temperatursollwert, um eine hohe Zellenmembranbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels 12 zu erreichen, und reduziert auch die Wahrscheinlichkeit eines Flutens in den Anoden- und Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 12. Die Bestimmung des Hydratationszustandes der Membranelektrodenanordnung ist nachfolgend detailliert beschrieben.
  • Sobald die Kathodeneinlass-RH auf der Kathodenlufteingangsleitung 22 und die Auslass-RH auf der Kathodenabgasleitung 28 auf die gewünschten Werte eingestellt sind, finden intermittierende Ablassvorgänge des Brennstoffzellenstapels 12 bevorzugt durch Ablassen zu Emissionen statt, um eine Ablassgeschwindigkeit zu maximieren, um ein Anodenwassermanagement zu verbessern. Die erhöhte Stöchiometrie dient dazu, den Temperatureinstellpunkt, wie oben diskutiert, zu senken, und die vollständige Öffnung jeglichen Kühlerbypassventils sieht eine maximale Kühlung vor. Die Länge der Zeit, die der Brennstoffzellenstapel 12 bei einer Auslass-RH gehalten wird, die größer als oder gleich 100% ist, hängt von der Kühlkapazität des Brennstoffzellensystems 10 ab. Daher kann die Selbsterlernung des Basiswiderstandes des Brennstoffzellenstapels 12 bei kalten Bedingungen effektiver sein, als bei warmen, da eine Sättigung leichter erreicht wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 kalt ist.
  • Ein Wasserpuffermodell in dem Controller 34 integriert das Produktwasser und schätzt den Hydratationszustand der Brennstoffzellenmembranelektrodenanordnung (MEA) und des Diffusionsmediums des Stapels 12. Wenn das Modell schätzt, dass die MEA nahe einer Sättigung ist, was eine kalibrierbare Schätzung ist, wird der Selbstlernvorgang des Controllers 34 ausgelöst. Während des Selbsterlernens wird der HFR des Brennstoffzellenstapels 12 durch den Controller 34 unter Verwendung des HFR-Sensors 36 für eine Zeitperiode, wie einige wenige Sekunden, gemessen. Diese Daten werden als HFR wet / j gefiltert und dann in einem nichtflüchtigen Speicher des Controllers 34 gespeichert. Während des nachfolgenden Betriebsablaufs bis zur nächsten HFR wet / j -Aktualisierung werden die Messungen des HFR-Sensors 36 durch den Controller 34 durch Vergleich der Messung von HFR wet / j mit der HFR-Messung eines Basiswiderstandes eines Referenz-Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen und unter Verwendung der folgenden Gleichung normalisiert: HFR norm / j(t) = HFR raw / j(t) – HFR wet / j + HFR wet / ref (2)
  • Wobei HFR norm / j (t) der normalisierte HFR ist, HFR raw / j (t) der gemessene HFR einschließlich ”Rauschen” ist, HFR wet / j der HFR ist, nachdem die Membran des Brennstoffzellenstapels vollständig gesättigt worden ist (d. h. der HFR ist ein Maß des Membranprotonenwiderstandes) und HFR wet / ref ist der HFR des Referenzstapels, der mit einer vollständig befeuchteten Membran arbeitet. Somit ist der Schlüssel zu einer HFR-basierten RH-Steuerung unter Verwendung des Controllers 34 nicht die Rückkopplung auf den Absolutwert des HFR, sondern die HFR-Messung in Referenz zu einem Basis-HFR des Brennstoffzellenstapels während eines befeuchteten Zustandes, die dann mit dem HFR eines Referenzstapelbasis-HFR während eines befeuchteten Zustandes verglichen wird.
  • Ein Rekonditionierungsmodus des Brennstoffzellenstapels 12 kann dazu verwendet werden, die feuchten Bedingungen zu erzeugen, die notwendig sind, damit das Selbsterlernen des Controllers 34 stattfindet, und ersetzen somit die Schritte, die zu dem Selbsterlernen des Controllers 34 führen, wie oben beschrieben ist, da die Brennstoffzellenstapelmembranen während des Rekonditionierungsmodus vollständig gesättigt sind. Zusätzlich kann die periodische Verwendung dieser Strategie während der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 ermöglichen, dass der Controller 34 eine sich ändernde RH gegenüber dem HFR über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 oder einen sich ändernden Betrieb des Rests der Anlage über die Zeit, beispielsweise Wasserdampfübertragungswirkungsgrad, Bypassventilbetrieb, etc. detektiert und herausfiltert.
  • 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 eines Membranprotonenwiderstandes eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: die relative Feuchte von in den Brennstoffzellenstapel eintretender Kathodenluft erhöht wird; eine Basisstöchiometrie des Brennstoffzellenstapels auf höher als eine Nennstöchiometrie erhöht wird; der Brennstoffzellenstapel intermittierend abgelassen wird, um eine Wasserregulierung in dem Brennstoffzellenstapel zu verbessern; ein Wasserpuffermodell verwendet wird, um einen Membranhydratationszustand des Brennstoffzellenstapels zu schätzen; ein Selbstlernprozess ausgeführt wird, um einen Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen zu bestimmen, sobald das Wasserpuffermodell schätzt, dass der Membranhydratationszustand des Brennstoffzellenstapels nahe Sättigung ist; Daten, die während des Selbstlernprozesses für den Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen erlangt wurden, gespeichert werden; und der Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen von einem Brennstoffzellenstapel-Gesamtwiderstand subtrahiert wird und der Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand eines Referenz-Brennstoffzellenstapels addiert wird, um die normalisierte HFR-Messung zu bestimmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen eines Selbstlernprozesses, um einen Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen zu bestimmen, umfasst, dass Daten für den Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen für eine Periode eines Paares von Sekunden erlangt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen des Selbstlernprozesses, um den Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen zu bestimmen, ein Selbsterlernen des Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstandes bei befeuchteten Bedingungen während eines Hydratationsprotokolls umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen des Selbstlernprozesses, um den Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen zu bestimmen, ein Selbsterlernen des Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstandes bei befeuchteten Bedingungen während eines kalten und feuchten Starts umfasst, nachdem der Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug angeordnet worden ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen der Basisstöchiometrie des Brennstoffzellenstapels auf höher als eine Nennstöchiometrie umfasst, dass die Basisstöchiometrie des Brennstoffzellenstapels auf die doppelte Größe der Nennstöchiometrie erhöht wird, um so die Temperatur zu senken, um eine hohe relative Feuchte zu erreichen, und um die Wahrscheinlichkeit eines Flutens in den Anoden- und Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels zu reduzieren.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen der relativen Feuchte von in den Brennstoffzellenstapel eintretender Kathodenluft umfasst, dass die relative Feuchte von in den Brennstoffzellenstapel eintretender Kathodenluft auf etwa 80% erhöht wird.
  7. Verfahren zur Bestimmung eines Membranprotonenwiderstandes eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Basiswiderstand des Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen festgestellt wird; und der Basiswiderstand des Brennstoffzellenstapels gegenüber einem Basiswiderstand eines Referenz-Brennstoffzellenstapels normalisiert wird, um den normalisierten Hochfrequenzwiderstand des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit der Verwendung eines Wasserpuffermodells, um den Membranhydratationszustand des Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen zu schätzen, bevor ein Basiswiderstand des Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen festgestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Feststellen eines Basiswiderstandes des Brennstoffzellenstapels bei befeuchteten Bedingungen umfasst, dass Daten, die für den Basis-Brennstoffzellenstapelwiderstand bei befeuchteten Bedingungen erlangt wurden, gefiltert werden, sobald das Wasserpuffermodell schätzt, dass der Membranhydratationszustand des Brennstoffzellenstapels nahe Sättigung ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit einem intermittierenden Ablassen des Brennstoffzellenstapels, um eine Wasserregulierung in dem Brennstoffzellenstapel zu verbessern.
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