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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zum Ermitteln, wann in eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels Wasserstoff zu injizieren ist, und insbesondere ein System und Verfahren zum Ermitteln, wann in eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels, der einem Brennstoffzellenfahrzeug zugeordnet ist, Wasserstoff zu injizieren ist, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist, wobei das System und Verfahren beruhend auf einem Wasserstoffgaskonzentrationsmodell und einem zugeordneten Injektoralgorithmus ermitteln, wann der Wasserstoff zu injizieren ist.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in dem Anodenkatalysator gespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten zur 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 Elektrolyten treten und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anoden- und die Kathodenelektroden oder Katalysatorschichten umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus katalytischer Mischung der Anode, katalytischer Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engt. Membrane Electrode Assembly). Jede MEA ist für gewöhnlich zwischen zwei Lagen porösen Materials, der Gasdiffusionsschicht (GDL, kurz vom engl. Gas Diffusion Layer), die die mechanische Unversehrtheit der Membran schützt und bei der gleichmäßigen Diffusion von Reaktandenfeuchte mitwirkt, sandwichartig eingeschlossen. MEA sind relativ teuer in der Fertigung und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
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Typischerweise sind mehrere Brennstoffzellen 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 nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine von einem Verdichter durch den Stapel gedrückte Luftströmung. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verzehrt, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als Nebenprodukt der in dem Stapel erfolgenden chemischen Reaktion umfassen kann.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEA in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEA zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler oder Strömungsfelder für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen, die das Anodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengas-Strömungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktandengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, beispielsweise Edelstahl oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt. Bei Kraftfahrzeuganwendungen gibt es eine grobe Anzahl an Start- und Stoppzyklen über die Lebensdauer des Fahrzeugs und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems, die wie vorstehend beschrieben jeweils eine Luft/Wasserstoff-Front erzeugen können.
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Ein durchschnittliches Fahrzeug kann über seine Nutzungsdauer 40.000 Start/Stopp-Zyklen erfahren. Start- und Stoppzyklen sind aufgrund des Potentials, das durch eine nachstehend erläuterte Luft/Wasserstoff-Front erzeugt werden kann, für das Brennstoffzellensystem schädlich, und die beste nachgewiesene Minderung von Schädigung bewirkt immer noch etwa 2 bis 5 μV Degradation pro Start- und Stoppzyklus. Die Gesamtdegradation kann somit über die 40.000 Start- und Stoppzyklusvorgänge 100 mV übersteigen. Durch Nichteinlassen von Luft in den Brennstoffzellenstapel während Abschaltung des Brennstoffzellensystems kann aber eine Schädigung während anschließender Neustarts verringert oder verhindert werden.
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Wenn ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, verbleibt nicht reagiertes Wasserstoffgas in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Dieses Wasserstoffgas kann durch die Membran diffundieren oder über diese übertreten und mit dem Sauerstoff in der Kathodenseite reagieren. Wenn das Wasserstoffgas zu der Kathodenseite diffundiert, wird der Gesamtdruck an der Anodenseite des Stapels verringert, wobei es möglich ist, den Druck unter den Umgebungsdruck zu senken. Dieser Druckunterschied kann Luft aus der Umgebung in die Anodenseite des Stapels saugen. Auch ist es möglich, dass Luft durch Diffusion von der Kathode in die Anode eindringt. Wenn Luft in die Anodenseite des Stapels eindringt, kann sie Luft/Wasserstoff-Fronten erzeugen, die in der Anodenseite einen Kurzschluss hervorrufen, was zu einer seitlichen Strömung von Wasserstoffionen von dem mit Wasserstoff gefluteten Abschnitt der Anodenseite zu dem mit Luft gefluteten Abschnitt der Anodenseite führt. Dieser elektrische Strom erzeugt kombiniert mit dem hohen seitlichen Innenwiderstand der Membran einen signifikanten seitlichen Potentialabfall (–0,5 V) über der Membran. Dies erzeugt ein lokales hohes Potential zwischen der Kathodenseite gegenüber dem mit Luft gefüllten Abschnitt der Anodenseite und benachbart zu der Elektrolytmembran, das eine schnelle Kohlenstoffkorrosion vorantreibt, und lässt die Kohlenstoffschicht der Elektrode dünner werden. Dies verringert die Auflage für die Katalysatorpartikel, was die Leistung der Brennstoffzelle mindert.
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Bei Abschalten des Brennstoffzellensystems setzt sich die Gaspermeation durch die Membran fort, bis die Gaskomponenten-Partialdrücke sich auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen haben. Die Diffusionsfähigkeit von Wasserstoff durch die Membran von der Anode zu der Kathode ist in etwa dreimal so groß wie die Rate von Stickstoff von der Kathode zu der Anode. Höhere Raten von Wasserstoffdiffusionsfähigkeit kommen verglichen mit einem relativ langsamen Ausgleich von Stickstoff-Partialdruck einem schnellen Ausgleich von Wasserstoff-Partialdrücken gleich. Die Differenz der Gasdiffusionsfähigkeiten lässt den Absolutdruck des Anodensubsystems fallen, bis der Wasserstoff-Partialdruck der Kathode den Wasserstoff-Partialdruck der Anode erreicht. Typischerweise wird die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bei einer hohen Wasserstoffkonzentration betrieben, wie etwa über 60%, und in den Anodensammlern und Anodenleitungen außerhalb der Anode des Stapels sind große Volumina von wasserstoffreichem Gas vorhanden. Wenn der Anodenabsolutdruck fällt, wird mehr Wasserstoff aus dem Anodensubsystem in das Anodenströmungsfeld des Stapels gesaugt.
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Das Nettoergebnis des Ausgleichs von Wasserstoffpartialdruck nach Systemabschaltung ist ein Anstieg der Wasserstoffkonzentration in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels mit Zeit, zumindest einen gewissen Zeitraum lang nach Abschaltung. Bei Systemstart wird der Verdichter gestartet, doch muss die aus dem Brennstoffzellenstapel von der Kathode austretende Wasserstoffkonzentration beschränkt werden, um nicht gegen Schadstoffforderungen zu verstoßen. Wenn somit die Kathode der Brennstoffzelle mit Frischluft gefüllt wird, muss das die Kathodenseite des Stapels verlassende wasserstoffreiche Gas verdünnt werden. Um Forderungen bezüglich Startzeit und Geräuschforderungen zu erfüllen, besteht der Bedarf, die Füllzeit der Stapelkathode zu optimieren. Da die Kathodenströmung durch die dem Verdichter zur Verfügung stehende Leistung beschränkt ist, muss das Füllverfahren gegenüber Änderungen des Gesamtdurchsatzes des Verdichters störunanfällig sein.
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Unter der Annahme, dass bei Systemstart genügend Zeit seit der vorherigen Abschaltung verstrichen ist, ist ein Großteil des in dem Stapel von der letzten Abschaltung verbleibenden Wasserstoffs bei Systemstart aus dem Stapel diffundiert und sowohl die Kathoden- als auch die Anodenströmungskanäle sind allgemein mit Luft gefüllt. Wenn Wasserstoffgas bei Systemstart in die Anodenströmungskanäle eingeleitet wird, schiebt das Wasserstoffgas die Luft aus den Anodenströmungskanälen heraus, was eine Wasserstoff/Luft-Front erzeugt, die sich durch die Anodenströmungskanäle fortbewegt. Das Vorhandensein der Wasserstoff/Luft-Front an der Anodenseite kombiniert mit Luft an der Kathodenseite lässt eine Reihe von elektrochemischen Reaktionen erfolgen, die zu dem Verbrauch der Kohlenstofflage an der Kathodenseite der MEA führen, wodurch die Lebensdauer der MEA in dem Brennstoffzellenstapel verringert wird. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass es ohne Angehen der Degradationswirkungen der Wasserstoff/Luft-Front bei Systemstart möglich ist, dass etwa 100 Abschalt- und Startzyklen den Brennstoffzellenstapel auf diese Weise zerstören.
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Eine bekannte Methode zum signifikanten Verringern der Luft/Wasserstoff-Front bei Systemstart und somit zum Verringern von katalytischer Korrosion ist das Verringern der Häufigkeit von Starts, bei denen die Anode und Kathode mit Luft gefüllt sind. Eine Strategie, um dies zu erreichen, ist das Belassen der Anode und Kathode in einer Stickstoff/Wasserstoff-Umgebung. Der Wasserstoff diffundiert allerdings schließlich entweder aus der Anode heraus oder wird von Sauerstoff, der langsam zu dem Stapel zurückkehrt, verbraucht. Um also die Fähigkeit zum Verringern von katalytischer Korrosion zu verlängern, kann Wasserstoff regelmäßig in den Stapel injiziert werden, während sich das System in dem Abschaltzustand befindet. Da bei Systemabschaltung infolge des Verbrauchens des Sauerstoffs durch die Brennstoffzellenreaktion meist Stickstoff in der Kathodenseite verbleibt, sind Stickstoff und Wasserstoff die Hauptelemente, die nach Systemabschaltung in der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ausgeglichen werden. Sauerstoff, der mittels der Leitungen in die Kathode diffundieren könnte, wird von überschüssigem Wasserstoff verbraucht, was eine Sauerstoffansammlung in der Kathode und Anode verzögert. Diese Verzögerung verhindert typischerweise eine schädigende Luft/Wasserstoff-Front.
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Es ist erwünscht, die Wasserstoffmenge in der Anode und Kathode eines Brennstoffzellensystems während Systemstart zu prognostizieren oder zu schätzen, damit die Startstrategie die Emissionsforderungen erfüllen kann, während Zuverlässigkeit maximiert und Startzeit minimiert werden. Es ist allgemein wünschenswert, dass der Wasserstoffkonzentrationsschätzer gegenüber Abschaltung und abschaltzeitbedingten Funktionen störunanfällig ist und Membranpermeation von Gasen sowie Eindringen von Luft von externen Quellen berücksichtigt. Gleichzeitig muss der Schätzalgorithmus einfach genug sein, um in einem Kraftfahrzeugsteuergerät vorgesehen zu werden, wobei die Berechnung minimal genug ist, um ohne Verzögern des Starts durchgeführt zu werden.
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Das Ermitteln der Wasserstoffkonzentration in der Anode und Kathode des Brennstoffzellenstapels bei Start ermöglicht die schnellstmögliche Startzeit, da die Systemsteuerung keine überschüssige Verdünnungsluft vorsehen muss, wenn diese unnötig ist. Weiterhin sieht die Kenntnis der Wasserstoffkonzentration einen zuverlässigeren Start vor, da die Wasserstoffmenge in der Anode, die nachgefüllt werden muss, bekannt ist. Dies ist insbesondere für Starts aus dem Standby-Zustand oder mitten aus einer Abschaltung, wobei Wasserstoffkonzentrationen relativ hoch sein können, relevant.
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Das Kennen der Wasserstoffkonzentration verbessert ferner die Haltbarkeit, denn wenn in dem Stapel eine unbekannte Wasserstoffkonzentration gegeben ist, müssten typische Startstrategien für Einspritzzwecke den ungünstigsten Wasserstoffprozentsatz und für Verdünnungszwecke 100% Wasserstoff annehmen. In diesen Situationen könnte das anfängliche Anodenspülen mit Wasserstoff langsamer sein, als wenn der Stapel bekanntermaßen mit Luft gefüllt ist. Die Korrosionsrate ist proportional zu dem anfänglichen Wasserstoffdurchsatz, wenn der Stapel luftgefüllt ist. Ohne exaktes Kennen der Wasserstoffkonzentration könnte daher jeder dieser Vorgänge schädlicher als nötig sein.
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Das Kennen der Wasserstoffkonzentration sieht auch einen verbesserten Wirkungsgrad vor, da eine genauere Ermittlung der Wasserstoffkonzentration in der Anode und Kathode vor Start zu effektiveren Startentscheidungen und einer möglichen Verringerung von Wasserstoffnutzung führt. Zum Beispiel könnten die Durchsätze von Verdünnungsluft verringert werden, wenn bekannt ist, dass der Stapel ohne Wasserstoff darin startet. Das Kennen der Wasserstoffkonzentration sieht auch störunanfälligere Starts vor. Im Fall einer vorzeitigen Abschaltung oder einer Abschaltung bei defektem Sensor kann der Algorithmus physikalische Grenzwerte nutzen, um eine obere und untere Begrenzung für den Wasserstoff in der Kathode und Anode vorzusehen.
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Die Ermittlung, wann bei bestehenden Systemen die Wasserstoffinjektion in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels vorzunehmen ist, wenn das System abgeschaltet ist, beruht typischerweise auf Zeit. Insbesondere wacht das Brennstoffzellensystem-Steuergerät beruhend auf einem festen Plan auf, und bei jedem Aufwachen des Steuergeräts vergleicht es die Zeit seit dem letzten Aufwachen mit einem Wasserstoffeinspritzplan. Wenn die Zeit, die das Steuergerät aus war, die geplante Einspritzzeit überschreitet, dann wird die Wasserstoffinjektion ausgeführt. Typischerweise wird der Einspritzplan empirisch durch eine Nachschlagetabelle ermittelt, die durch die physikalischen Parameter des Stapels, wie etwa Druck, Temperatur, etc., ermittelt wird, die seit der letzten erfolgreichen Systemabschaltung erfasst wurden. Der injizierte Wasserstoff wird druckgesteuert, und die Injektion endet, wenn der Stapeldruck einen kalibrierten Schwellenwert übersteigt.
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Die vorstehend beschriebene Methode zum Ermitteln, wann die Wasserstoffinjektion vorzusehen ist, hat eine Reihe von Einschränkungen. Insbesondere ist jedes Brennstoffzellensystem anders und weist unterschiedliche Komponentenvarianten auf. Ferner ändert sich der Systembetrieb, wenn der Brennstoffzellenstapel altert. Auch die Umgebungsbedingungen beeinflussen den Betrieb des Brennstoffzellensystems. Ferner bestimmten Lecks in dem Anodensubsystem, wie schnell das Wasserstoffgas aus der Anode entfernt wird. Aufgrund der Tatsache, dass Druck kein Hinweis auf Wasserstoffkonzentration ist, könnte die Wasserstoffkonzentration auch bei jeder druckgesteuerten Injektion variieren. Daher könnte der Zeitplan, der für ein System zum Ermitteln von Wasserstoffgasinjektion verwendet werden kann, nicht auf ein anderes Brennstoffzellensystem übertragbar sein – da das Wasserstoffgas in einem System unter einem vorbestimmten Schwellenwert, etwa 15%, liegen kann, bevor die nächste Injektion geplant ist.
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Die vorläufige U. S.-Patentanmeldung Seriennr. 61/250429, die am 9. Oktober 2009 eingereicht wurde, mit dem Titel Hydrogen Concentration Estimation in Fuel Cell Systems at Shut Down and Start Up offenbart ein System und Verfahren zum Schätzen der Wasserstoffmenge in einem Brennstoffzellenstapel. Das Verfahren definiert den Brennstoffzellenstapel und Stapelvolumina als diskrete Volumina, die ein Anodenströmungsfeldund Anodenleitungsvolumen, ein Kathodenströmungsfeldvolumen und ein Kathodensammler- und Leitungsvolumen umfassen. Das Verfahren schätzt die Menge an Wasserstoff und/oder Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungsvolumen, dem Kathodenströmungsfeldvolumen und dem Kathodensammler- und Leitungsvolumen bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem. Das Verfahren schätzt auch die Menge an Wasserstoff und/oder Stickstoff in dem Anodenströmungsfeld- und Anodenleitungsvolumen, die Wasserstoffmenge in dem Kathodenströmungsfeldvolumen und die Wasserstoffmenge in dem Kathodensammler- und Leitungsvolumen bei Systemstart. Diese Werte werden beruhend auf Annahmen bezüglich Wasserstoff-, Stickstoff-, Feuchte- und Sauerstoffbewegung mittels Diffusion, Leitung, Lecken und Membranpermeation geschätzt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und Verfahren zum Ermitteln offenbart, wann Wasserstoffgas in die Anodenseite eines einem Brennstoffzellenfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenstapels zu injizieren ist, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist, wobei die Ermittlung auf einem Gaskonzentrationsmodell beruht. Das Verfahren umfasst das Schätzen der Wasserstoffgaskonzentration in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels unter Verwenden des Gaskonzentrationsmodells und das Ermitteln, ob die geschätzte Wasserstoffgaskonzentration unter einem ersten vorbestimmten Schwellenwert liegt. Wenn das geschätzte Wasserstoffgas weniger als der Schwellenwert ist, dann wird Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle in die Anodenseite injiziert. Während das Wasserstoffgas injiziert wird, vergleicht das Verfahren die geschätzte Wasserstoffgaskonzentration in der Anodenseite mit einer Sollkonzentration und erzeugt ein Fehlersignal dazwischen. Wenn das Fehlersignal größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist, spritzt der Algorithmus weiter den Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ein.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
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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 Blockdiagramm, das einen Signalaustausch zwischen einem Gaskonzentrationsmodul und einem Einspritzalgorithmus zeigt, der ermittelt, wann Wasserstoffgasinjektionen vorzusehen sind; und
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3 ist ein Blockdiagramm eines Systems, das eine Regelung von Wasserstoffinjektion beruhend auf einem Gaskonzentrationsmodell zeigt.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zum Ermitteln unter Verwenden eines Gaskonzentrationsmodells gerichtet sind, wann Wasserstoffgasinjektionen in die Anodenseite eines einem Brennstoffzellenfahrzeug zugeordneten Brennstoffzellenstapels vorzusehen sind, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Nutzungen beschränken.
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1 ist eine Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Ein Verdichter 14 liefert der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Kathodeneingangsleitung 16 Druckluft. An einer Kathodenabgasleitung 18 wird Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgestoßen. Ein Injektor 32 spritzt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 36, wie etwa einem Hochdrucktank, in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Anodeneingangsleitung 34 ein. Das Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel 12 wird an einer Rückführungsleitung 26 zu dem Injektor 32 zurückgeführt. Wie aus dem Stand der Technik gut bekannt ist, ist es regelmäßig erforderlich, das Anodenabgas abzulassen, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen. Zu diesem Zweck ist ein Entlüftungsventil 30 in einer Anodenabgasleitung 28 vorgesehen, wobei das abgelassene Anodenabgas mit dem Kathodenabgas an der Leitung 18 zusammengeführt wird, um Wasserstoffgas in dem Anodenabgas zu verdünnen, so dass es unter Brennbarkeits- und/oder Emissionsgrenzwerten liegt.
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Wie nachstehend näher dargelegt wird, nutzt die vorliegende Erfindung ein Gaskonzentrationsmodell (GCM) der aus dem Stand der Technik bekannten Art, wie es etwa in der Anmeldung '429 offenbart wird, um zu ermitteln, wann eine Wasserstoffgasinjektion in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 vorzusehen ist, wenn sich das System 10 in einem abgeschalteten Zustand befindet. Das Wasserstoffgas wird im Einklang mit der vorstehenden Beschreibung während des Abschaltzustands bei einer Sollzeit in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 injiziert, um zu versuchen, die Wasserstoff/Luft-Front zu minimieren, die in dem Brennstoffzellenstapel 12 auftreten kann.
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2 ist ein Blockdiagramm eines Systems 40, das eine allgemeine Überblicksdarstellung einer solchen Konstruktion zeigt. Das System 40 umfasst ein Gaskonzentrationsmodellfeld 42 und ein Wasserstoff-bei-Parken-Algorithmusfeld 54. Das Gaskonzentrationsmodell ermittelt die Konzentration von Wasserstoffgas in dem Anodensubsystem, typischerweise als Molanteil, und liefert diese Konzentrationsschätzung an Leitung 46 zu dem Algorithmusfeld 44 als Signal mo1Fr_AnH2Est. Der Algorithmus ermittelt, ob die Konzentration an Wasserstoffgas in dem Anodensubsystem kleiner als ein vorbestimmter Schwellenprozentsatz, etwa 5%, ist, und wenn ja, leitet er die Wasserstoffgasinjektion durch Liefern eines Injektorarbeitszyklussignals DC_AnInj an den Injektor 32 an Leitung 48 ein. Wenn die Einspritzsequenz eingeleitet wurde, liefert der Algorithmus ein Einspritzstartsignal b_H2InParkStrt an Leitung 50 und ein Signal Wasserstoffinjektion aktiviert b_H2InParkActv an Leitung 52, wenn die Injektion erfolgt, zu dem Gaskonzentrationsmodell, so dass die Wasserstoffgaskonzentration in dem Anodensubsystem während der Injektion beruhend auf dem Arbeitszyklussignal DC_AnInj aktualisiert werden kann.
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3 ist ein Blockdiagramm einer Steuerungsarchitektur 60 zum Steuern der Injektion des Wasserstoffgases während des Fahrzeugabschaltzustands, sobald diese ausgelöst wurde. Die Architektur 60 umfasst einen Summationsknoten 62, der ein Signal r Dsrd / H₂ einer Sollkonzentration von Wasserstoffgas, das die Sollwasserstoffmenge, die in die Anode an Leitung 64 zu injizieren ist, feststellt, und ein Signal r Est / H₂ einer aktuellen geschätzten Wasserstoffgaskonzentration, die von dem Gaskonzentrationsmodell an Rückführleitung 66 ermittelt wird, empfängt. Der geschätzte Wasserstoffkonzentrationswert r Est / H₂ ist das vorstehend erwähnte Molanteilsignal mo1Fr_AnH2Est. Die Differenz oder der Fehler zwischen dem Sollkonzentrationswert r Dsrd / H₂ und dem geschätzten Konzentrationswert r Est / H₂ von dem Summationsknoten 72 wird einem Proportional-Integral(PI)-Regler 68 geliefert, der ermittelt, ob der Fehler größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, und wenn ja, wie viel mehr Wasserstoffgas in das Anodensubsystem injiziert werden sollte, um den Fehler unter den Schwellenwert zu senken. Wenn der Fehler unter den Schwellenwert fällt, dann wird die Wasserstoffinjektion beendet, da der Wasserstoffkonzentrationsschätzwert r Est / H₂ der gleiche oder in etwa der gleiche wie der Wasserstoffkonzentrationssollwert r Dsrd / H₂ ist. In dieser Ausführungsform liefert der PI-Regler 68 einen Mengensollwert ṅ Sp / H₂ , wie etwa Moldurchfluss, Massenstrom, Mol pro Sekunde, Gramm pro Sekunde, etc., als Wasserstoffmenge, die dem Anodensubsystem während der Injektion weiter geliefert werden muss. Auch wenn das Steuergerät 68 in dieser Ausführungsform ein PI-Regler ist, ist dies ein nicht einschränkendes Beispiel, da andere Arten von Steuergeräten, wie etwa ein Zweipunktregler, ein Regler mit Störgrößenaufschaltung, etc., ebenfalls verwendbar sein können.
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In der vorstehenden Beschreibung spritzt der Prozess Wasserstoffgas ein, integriert die Wasserstoffgaskonzentration kontinuierlich und beendet die Injektion, wenn eine Wasserstoffgassollkonzentration erreicht ist. Dieser Prozess umfasst das Aufweisen einer anfänglichen Wasserstoffgaskonzentration und eines abschließenden Wasserstoffgaskonzentrationssollwerts. Unter Verwenden der allgemeinen Gasgleichung, die in jedem Fall verwendet werden musste, kann die Gesamtmenge an Gramm Wasserstoffgas geschätzt werden, die zugegeben werden muss. Dann könnte diese Wasserstoffgasmenge durch einen Integrator in dem Injektor hinzugegeben werden. Alternativ könnte dies durch Verwenden eines Druckanstiegs, der direkt mit den zusätzlichen Gramm an Wasserstoffgas in Verbindung steht, vorgesehen werden. An Stelle des Schätzens der Wasserstoffgasmenge könnte also der Druck gemessen werden, um die Wasserstoffgasströmung durch den Injektor zu ermitteln.
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Der Sollwert ṅ Sp / H₂ wird einem Injektormodellprozessor 70 geliefert, der den Arbeitszyklus des Injektors 32 beruhend auf einem Injektormodell ermittelt. Das Injektormodell ermittelt mit anderen Worten die Injektorpulsdauer und -frequenz, um den erwünschten Sollwert ṅ Sp / H₂ zu erreichen. Das Injektormodell wandelt den Sollwert ṅ Sp / H₂ in ein Arbeitszyklussignal DCInj um, das an einem Anlagenfeld 62 angelegt wird, das das Brennstoffzellensystem darstellt, und liefert den geschätzten Wasserstoffkonzentrationswert r Est / H₂ in dem Anodensubsystem. Die Architektur 60 ermittelt also, wann der injizierte Wasserstoff vorzusehen ist, wenn das Brennstoffzellensystem-Steuergerät aufwacht, und für wie lange.
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Die Vorteile des Verwendens der vorstehend beschriebenen konzentrationsbasierten Einspritzsteuerung gegenüber der bekannten zeitbasierten Einspritzsteuerung umfassen das Ausführen der Injektion nur, wenn die Wasserstoffkonzentration unter einem bestimmten Mindestschwellenwert liegt. In der sechsten Stunde nach Systemabschaltung kann die Wasserstoffkonzentration zum Beispiel bei 15% liegen, wobei die konzentrationsbasierte Steuerung der Erfindung keine Injektion ausführen würde. Stattdessen würde die konzentrationsbasierte Einspritzsteuerung auf ein künftiges Aufwachen des Brennstoffzellensystem-Steuergeräts walten, wobei die Konzentration des Wasserstoffgases in dem Anodensubsystem viel niedriger sein kann. Die zeitbasierte Einspritzsteuerung kann das Steuergerät aufwecken und unabhängig von der Wasserstoffkonzentration eine Injektion vornehmen. Die konzentrationsbasierte Einspritzsteuerung der Erfindung trägt somit nicht nur dazu bei, bei Brennstoff- und Batterieverbrauch zu sparen, sondern wirkt sich auch auf die Startzeit und die Emissionen beim nächsten Start aus. Aufgrund der Wasserstoffkonzentrationsrückmeldung stellt die konzentrationsbasierte Einspritzsteuerung ferner sicher, dass die Wasserstoffkonzentration der Anode nach Injektion unabhängig von der anfänglichen Wasserstoffkonzentration den gleichen Wert erreicht. Bei der zeitbasierten Injektion, die sich auf Druck verlässt, um die Injektion zu beenden, könnte die Wasserstoffkonzentration der Anode bei Beendigung der Injektion variieren.
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Die vorstehende Beschreibung offenbarte und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Darlegung und anhand der Begleitzeichnungen und Ansprüche mühelos erkennen, dass daran verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.
