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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines Verlustes an Kühlmittel aus einem thermischen Subsystem in einem Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines Verlustes an Kühlmittel aus einem thermischen Subsystem in einem Brennstoffzellensystem, das eine Stromrückkopplung aus einer Hochtemperaturpumpe verwendet, die das Kühlmittel durch das thermische Subsystem pumpt.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton exchange membrane fuel cells, PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonen-leitende Membran, so zum Breispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anoden Katalysatormischung, der Kathoden-Katalysatormischung und der Membran definieren eine Membran-Elektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostenintensiv herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel seriell gekoppelt, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug 200 oder mehr gestapelte Brennstoffzellen besitzen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Stapel beinhaltet des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Der Brennstoffzellenstapel weist eine Reihe von bipolaren Platten auf, die zwischen die mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Kathodengasflusskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten bereitgestellt, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die bipolar Platten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Wie oben erwähnt, beinhaltet ein Brennstoffzellenstapel Kühlmittelflusskanäle, typischerweise in den bipolaren Platten des Stapels, die ein Kühlmittel empfangen, das die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle auf einem gewünschten Niveau hält. Das Kühlmittel wird durch den Stapel und eine externe Kühlschleife außerhalb des Stapels mittels einer Hochtemperaturpumpe, die Teil eines thermischen Subsystems ist, gepumpt, wobei ein Gebläse typischerweise das Kühlmittel kühlt, sobald es aus dem Stapel austritt. Temperatursensoren sind typischerweise in der Kühlschleife außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet, um die Temperatur des Kühlmittels bei Austritt und Eintritt in den Stapel zu überwachen, um eine genaue Kontrolle der Stapeltemperatur aufrecht zu erhalten. Das Kühlmittel ist typischerweise eine Mischung aus Wasser und Glykol, welches verbesserte Wärmeabfuhreigenschaften aufweist und die Gefriertemperatur des Kühlmittels reduziert.
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Falls eine Komponente in dem thermischen Subsystem ausfällt, ist es möglich, dass das Kühlmittel aus dem thermischen Subsystem austreten könnte. Wenn genug an Kühlmittel aus dem thermischen Subsystem austritt, könnte nicht mehr genug Kühlmittel vorhanden sein, um die Temperatur zu reduzieren oder die gewünschte Temperatur des Brennstoffzellenstapels aufrecht zu halten, was zu einer Überhitzung führen könnte, was Schaden an verschiedenen Brennstoffzellsystem-Komponenten verursachen könnte, wie beispielsweise an den Brennstoffzellen selbst. Daher ist es bekannt, Vorrichtungen und Systeme zu verwenden, um Kühlmittellecks zu detektieren und das Brennstoffzellensystem gegen Überhitzung und potentielle Komponentenschädigung zu schützen.
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Bei einer bekannten Leckdetektionsausführung wird ein bestimmter Niveausensor verwendet, um den Stand an Kühlmittel in einem Überflusstank oder einem Reservoir, in dem das Kühlmittel bevorratet ist, zu detektieren. Es kann jedoch vorkommen, dass wenn der Niveausensor einen niedrigen Mittelstand anzeigt, nicht unbedingt ein signifikantes Leck oder gar kein Leck vorhanden ist, sondern vielmehr immer noch genug Kühlmittel in dem thermischen Subsystem vorhanden ist, um den Stapel zu betreiben. Wenn beispielsweise das Fahrzeug in eine scharfe Kurve einbiegt, kann die Flüssigkeit in dem Tank unter den Niveausensor fallen, und eine falsche Angabe über einen niedrigen Kühlmittelstand abgegeben werden. Darüber hinaus kann es für kleine Kühlmittelverluste wünschenswert sein, nur eine Warnanzeige bereitzustellen und nicht andere Vorsorgemaßnahmen zu treffen, wie beispielsweise eine Abschaltung des Systems.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes an Kühlmittel aus einem thermischen Subsystem in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Überwachen einer Stromrückkopplung von einer Hochtemperaturpumpe, die das Kühlmittel durch eine Kühlschleife pumpt. Ein gemessener Strom von der Pumpe wird mit einem für die Systembetriebsbedingungen erwarteten Strom verglichen und, wenn dieser Strom signifikant kleiner ist als der erwartete Strom, dann kann dies ein Ergebnis eines niedrigen Kühlmittels sein. Falls der gemessene Strom für eine vorbestimmte Zeitdauer kleiner als der erwartete Strom ist, dann kann das System eine Vorsorgemaßnahme als Ergebnis eines Niedrigkühlmittelstands treffen. Der Stromvergleich kann durch einen Niveausensorindikator in dem Kühlmittelreservoir initiiert werden. Darüber hinaus kann, wenn die Pumpgeschwindigkeit zu niedrig ist, um eine genaue Strommessung vorzunehmen, diese erhöht werden, falls der Niveausensor einen niedrigen Kühlmittelstand anzeigt.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem thermischen Subsystem; und
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes an Kühlmittel in dem thermischen Subsystem aus 1 zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen eines Verlustes an Kühlmittel aus einem thermischen Subsystem in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen. Beispielsweise findet das Verfahren eine besondere Anwendung für die Bestimmung eines Verlustes an Kühlmittel aus einem thermischen Subsystem, wie oben erwähnt. Fachleute erkennen jedoch, dass die Erfindung auch eine Anwendung bei Pumpen, die irgendein Mittel pumpen, finden kann.
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1 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Der Brennstoffzellenstapel 12 beinhaltet eine Kathodenseite, die Luft aus einem Kompressor 14 auf einer Kathodeneingangsleitung 16 erhält, und ein Kathodenabgas auf einer Kathodenabgasleitung 18 bereitstellt. Der Brennstoffzellenstapel 12 beinhaltet des weiteren eine Anodenseite, die ein Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffquelle 20, beispielsweise einem Hochdrucktank, auf einer Anodeneingangsleitung 22 erhält und ein Anodenabgas auf einer Anodenabgasleitung 24 bereitstellt. Typischerweise werden der Anodenauslass und der Kathodenauslass von einem Brennstoffzellenstapel in einem einzigen Stapelauslass kombiniert. Das System 10 beinhaltet des Weiteren ein thermisches Subsystem, das einen Kühlmittelfluss zu dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitstellt. Das thermische Subsystem beinhaltet eine Hochtemperaturpumpe 28, die Kühlmittel durch eine Kühlschleife 26 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 und durch die Kühlmittelflusskanäle in den bipolaren Platten in dem Brennstoffzellenstapel 12 pumpt. Ein Temperatursensor 30 misst die Temperatur des Kühlmittels in der Kühlschleife 26, sobald dieses den Brennstoffzellenstapel 12 betritt und ein Temperatursensor 32 misst die Temperatur des Kühlmittels in der Kühlschleife 26, sobald dieses den Brennstoffzellenstapel 12 verlässt. Obwohl nicht spezifisch gezeigt, beinhaltet ein typisches thermisches Subsystem für ein Brennstoffzellensystem ein Gebläse zum Kühlen des Kühlmittels aus dem Brennstoffzellenstapel 12 und eine Gebläsebypassleitung für die Umgehung des Gebläses, wobei die Menge an Kühlmittel, die durch das Gebläse fließt, und die das Gebläse umgeht, mit einem geeigneten Kontrollelement und einem Ventil geregelt wird, um die gewünschte Kühlmitteltemperatur zu erlangen. Das thermische Subsystem beinhaltet darüber hinaus einen Überflusstank 34, der in Fluid-Verbindung mit der Kühlschleife 26 steht. Ein Niveauindikator 36 stellt eine Anzeige für das Niveau an Kühlmittel innerhalb des Tanks 34 bereit.
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Wie im folgenden genauer diskutiert werden wird, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren eines Verlusts an Kühlmittel in dem thermischen Subsystem vor, das eine Pumpenstromrückkopplung verwendet, um zu bestimmen, ob die Pumpe 28 die erwartete Arbeit erzeugt, die erforderlich ist, um das Kühlmittel durch die Kühlschleife 26 zu pumpen. Im Falle eines Kühlmittelverlustes bei einer konstanten Pumpengeschwindigkeit wird der Pumpenstrom signifikant reduziert, da die Pumpe 28 Luft anstelle von Kühlmittel pumpt. Basierend auf diesem kann der geschätzte Pumpenstrom und ein gemessener Pumpenstrom miteinander verglichen werden, um einen niedrigen Kühlmittelstand zu bestimmen. Es wird angemerkt, dass die Änderung im Strom relativ gering ist über den vollen Bereich und die Pumpengeschwindigkeit und dass die Auflösung der Stromrückkopplung wenig sensitiv ist. Aus diesem Grund ist die Diagnose nur bei hohen Pumpengeschwindigkeiten verlässlich, wo eine große Stromänderung zwischen dem Pumpen von Kühlmittel im Vergleich zum Pumpen von Luft erwartet wird. Falls der aktuelle Pumpenstrom viel kleiner als der erwartete Pumpenstrom ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Pumpe 28 nicht signifikant Kühlmittel pumpt. Eine Diagnose könnte dann vorgenommen werden und Vorsorgeaktionen könnten unternommen werden, um den Brennstoffzellenstapel 12 an einer Überhitzung zu hindern. Es muss Sorge dafür getragen werden, dass aus Fehlalarmdiagnostik nicht unnötige Vorsorgeaktionen getroffen werden, wie zum Beispiel eine reduzierte Leistungsstufe, welche den Fahrer beeinträchtigt. Die vorliegende Erfindung schlägt einen Schutz gegen so eine Fehldiagnose durch Implementieren eines Diagnosezählers vor. Sobald der Zähler einen vorbestimmten Schwellwert basierend auf der aktiven Diagnose, die einen niedrigen Kühlmittelstand innerhalb eines vorbestimmten Zeitrahmens misst, erreicht, wird die Diagnose ausgelöst. Alternativ dazu könnte der Algorithmus einen vorbestimmten Zählerschwellwert verwenden in einer vorbestimmten Ansammlung von Zeit, beispielsweise fünf positive Zählungen in 30 Sekunden.
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Das System 10 beinhaltet einen Controller 38, der ein gemessenes Stromsignal von einem Sensor in der Pumpe 28 empfängt, welches den Pumpenstrom identifiziert. Der Controller 38 empfängt zudem ein Signal von dem Niveauindikator 36, das anzeigt, sobald das Niveau an Kühlmittel in dem Tank 34 niedrig ist. Der Controller 38 vergleicht den gemessenen Strom mit dem erwarteten Strom und, falls es eine signifikante Diskrepanz für eine Zeitdauer, die lang genug ist, gibt, wird er Vorsorgeaktionen initiieren, darunter das Bereitstellen eines Warnlichts für den Fahrer und Vorsorgeaktionen für das System 10.
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2 ist ein Flussdiagramm 40 für das Bestimmen eines Verlustes von Kühlmittel aus dem thermischen Subsystem basierend auf der oben geführten Diskussion. Im Kasten 42 setzt der Algorithmus alle maßgeblichen Buffer in dem Controller 38 zurück und setzt einen Zähler auf null. In der Entscheidungsraute 44 bestimmt der Algorithmus, ob der Tankkühlmittel-Niveausensor 36 anzeigt, dass das Niveau an Kühlmittel in dem Tank 34 unterhalb eines Niveaus ist, das einen niedrigen Kühlmittelstand anzeigt. Wenn der Sensor 36 nicht anzeigt, dass ein niedriges Niveau an Kühlmittel vorliegt, dann liegt genug Kühlmittel in dem thermischen Subsystem vor und der Algorithmus kehrt zurück zu dem Kasten 42, um den Sensor 36 weiterhin zu überwachen. Wenn der Tankkühlmittel-Niveausensor 36 anzeigt, dass ein niedriges Kühlmittelniveau vorliegt, dann vergleicht der Algorithmus einen geschätzten oder vorhergesagten Pumpenstrom basierend auf den Systembetriebsbedingungen mit einem gemessenen Pumpenstrom, um zu bestimmen, ob der gemessene Pumpenstrom um einen signifikanten vorbestimmter Wert weniger ist als der erwartete Pumpenstrom für eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise 2 Sekunden, in der Entscheidungsraute 44. Wenn der gemessene Pumpenstrom nicht geringer ist als der erwartete Pumpenstrom für diese Zeitdauer, dann kehrt der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 42 zurück, um den Zustand des Kühlmittel-Niveausensors 36 zu überwachen.
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Wenn der gemessene Pumpenstrom signifikant kleiner als der geschätzte Pumpenstrom für die vorbestimmte Zeitdauer in der Entscheidungsraute 46 ist, dann kann das Kühlmittelniveau relativ niedrig sein. Der Algorithmus bestimmt dann, ob die Pumpengeschwindigkeit größer als ein vorbestimmter Geschwindigkeitsschwellwert in der Entscheidungsraute 48 ist. Der Algorithmus überprüft die Pumpengeschwindigkeit, weil das Verfahren einen Strom aus der Pumpe 28 erfordert, der hoch genug ist, um zwischen einer Niedrigkühlmittelbedingung und einer Normalkühlmittelbedingung zu differenzieren. Wenn die Pumpengeschwindigkeit mit anderen Worten zu niedrig ist, dann kann die Strommessung mit einem signifikanten Rauschen und Oszillationen behaftet sein, wobei die Differenz zwischen dem gepumpten Kühlmittel und der gepumpten Luft kleiner als die Auflösung des Stromsensors ist und dementsprechend undetektiert bleiben könnte.
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Wenn die Pumpengeschwindigkeit größer als der vorbestimmte Geschwindigkeitsschwellwert in der Entscheidungsraute 48 ist, dann inkrementiert der Algorithmus einen Zähler im Kasten 50 und bestimmt, ob der Zählwert des Zählers größer als ein vorbestimmter Zählschwellwert in der Entscheidungsraute 52 ist, beispielsweise fünf Zählimpulse. Der Algorithmus stellt sicher, dass die Pumpenstrommessung weit genug unter dem geschätzten Strom für eine Zeitdauer, die lang genug ist, ist, um die Wahrscheinlichkeit, dass niedriger Pumpenstrom aus anderen Gründen als einem niedrigen Kühlmittelstand vorliegt, zu reduzieren. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform geschieht jede Zählung alle 30 Sekunden, so dass die gesamte Zeit, in der der gemessene Strom unterhalb des geschätzten Stroms sein muss, bevor der Algorithmus Vorsorgemaßnahmen treffen wird, ungefähr 2½ Minuten ist. Wenn die Zählung nicht größer als der Schwellwert in der Entscheidungsraute 52 ist, dann kehrt der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 46 zurück, um die Ströme zu vergleichen. Wenn die Zählung größer ist als der Schwellwert in der Entscheidungsraute 52, dann setzt der Algorithmus eine Kühlmittelverlustdiagnose im Kasten 54 in Gang, um Vorsorgemaßnahmen für einen niedrigen Kühlmittelstand zu treffen, beispielsweise das Bereitstellen eines Warnlichts oder das Abschalten des Stapels 12.
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Wenn die Pumpengeschwindigkeit nicht größer als der Geschwindigkeitsschwellwert in der Entscheidungsraute 48 ist, dann befiehlt der Algorithmus die Pumpengeschwindigkeit auf einen Schwellwert, beispielsweise 4000 rpm im Kasten 56. Der Algorithmus vergleicht dann den gemessenen Strom mit dem geschätzten Strom, wie das schon in der Entscheidungsraute 46 vorgenommen wurde, in der Entscheidungsraute 58, da selbst, wenn der gemessene Strom signifikant unterhalb eines erwarteten Stroms für die erforderliche Zeitdauer in der Entscheidungsraute 46 war, dies ein Resultat einer niedrigen Pumpengeschwindigkeit hat sein können. Wenn der gemessene Strom, wie oben erwähnt, nicht signifikant unterhalb des erwarteten Stroms für die erforderliche Zeitdauer in der Entscheidungsraute 58 ist, dann kehrt der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 44 zurück, um das Niveau des Kühlmittels in dem Tank 34 zu überwachen. Wenn der gemessene Strom kleiner als der geschätzte Strom für die erforderliche Zeitdauer in der Entscheidungsraute 56 ist, dann inkrementiert der Algorithmus den Zähler im Kasten 60, wie das im Kasten 50 auch schon geschah. Der Algorithmus bestimmt dann entsprechend, ob die Zählung größer als der Schwellwert in der Entscheidungsraute 62 ist, wie das schon in der Entscheidungsraute 52 geschah, und wenn dies nicht der Fall ist, kehrt der Algorithmus zum Kasten 58 zurück, um die Pumpengeschwindigkeit gleich zum Pumpengeschwindigkeits-Schwellwert zu setzen. Wenn der Zähler den Schwellwert in der Entscheidungsraute 64 erreicht hat, dann geht der Algorithmus zu dem Diagnosekasten 54 vor. Nachdem die Diagnose im Kasten 54 gesetzt wurde, wird der Algorithmus bestimmen, ob die Pumpengeschwindigkeit im Kasten 42 auf die gewünschte Pumpengeschwindigkeit zurückgesetzt werden muss, wenn sie im Kasten 56 erhöht worden war. Es wird angemerkt, dass die erhöhte Pumpengeschwindigkeit für den Niedrigkühlmittelstand-Algorithmus, wie er hier erörtert wird, die Stapeltemperatur nicht signifikant beeinträchtigen wird, während die Diagnose durchgeführt wird.
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Die vorgehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus dieser Diskussion und aus den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne den Geist und den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.
