DE102012104142A1

DE102012104142A1 - Intelligente fahrzeugintegrierte raktive Rückgewinnungsstrategie

Info

Publication number: DE102012104142A1
Application number: DE102012104142A
Authority: DE
Inventors: Andrew J. Maslyn; Puneet K. Sinha
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-12-13
Also published as: US20120315561A1; US9178233B2; CN102820478A; CN102820478B

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen, wann ein Rückgewinnungsprozess einer Spannung zum Rückgewinnen eines reversiblen Spannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem durchzuführen ist. Das Verfahren schließt ein Schätzen eines irreversiblen Spannungsverlustes der Brennstoffzelle und einer aktuellen Spannung des Brennstoffzellenstapels ein und ein Bestimmen, ob eine Differenz zwischen dem geschätzten irreversiblen Spannungsverlust und der geschätzten aktuellen Stapelspannung einen Schwellwert überschreitet, und, wenn dem so ist, ist der Rückgewinnungsprozess der Spannung durchzuführen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, wann ein Spannungsrückgewinnungsalgorithmus zum Rückgewinnen eines Sperrspannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem betrieben werden muss, und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, wann ein Spannungsrückgewinnungsalgorithmus zum Rückgewinnen eines Sperrspannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem betrieben werden muss, wobei das Verfahren bestimmt, ob eine Differenz zwischen einem irreversiblen Spannungsverlust und einer aktuellen Stapelspannung größer ist als ein vorbestimmter Wert.
2. Erörterung der relevanten Technik
Wasserstoff ist ein attraktiver Brennstoff, weil er sauber und weil er zum effektiven Erzeugen von Elektrizität in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist auch ein elektrochemisches Bauteil, das eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen einschließt. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird an dem Anoden-Katalysator dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und die Elektronen in dem Kathoden-Katalysator erzeugen Wasser. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten wandern und werden deshalb durch einen Verbraucher zum Erzeugen von Arbeit geführt, bevor sie zu der Kathode gesandt werden.
Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine allgemeine Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Membran aus einem festen Polymerelektrolyten, wie eine Perfluorosulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise, aber nicht immer, fein verteilte katalytische Partikel eines hochaktiven Katalysators wie Platin (Pt), das typischerweise auf Kohlenstoffpartikeln gehalten wird und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Katalysator-Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran positioniert. Die Kombination der Anoden-Katalysator-Mischung, der Kathoden-Katalysator-Mischung und der Membran definieren einen Membran-Elektroden-Aufbau (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Konditionen für einen wirkungsvollen Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine gewünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathoden-Eingangsgas, das typischerweise ein Luftstrom ist, der durch den Stapel mittels eines Kompressors gepresst wird. Durch den Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff verbraucht und ein Teil der Luft wird als Kathoden-Abgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapel-Beiprodukt enthalten kann. Der Brennstoffstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoff-Eingangsgas, das auf der Anodenseite in den Stapel einfließt.
Ein Brennstoffzellenstapel schließt eine Serie von Bipolarplatten ein, die zwischen den unterschiedlichen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten schließen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in einem Stapel ein. Anoden-Gasflussfelder werden an der Anodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, die es dem Anoden-Reaktantgas ermöglichen, zu der jeweiligen MEA zu fließen. Kathoden-Gasflussfelder werden auf der Kathodenseite der Bipolarplatte bereitgestellt, die dem Kathoden-Reaktantgas ermöglichen, an den entsprechenden MEA zu fließen. Eine Endplatte schließt Anoden-Gasdurchflusskanäle ein und die andere Endplatte schließt Kathoden-Gasdurchflusskanäle ein. Die Bipolarplatten und die Endplatten sind aus einem leitenden Material hergestellt, wie einem rostfreien Stahl oder einer leitenden Zusammensetzung. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten enthalten auch Durchflusskanäle, durch die eine Kühlflüssigkeit fließt.
Die Membran innerhalb der Brennstoffzelle muss einen ausreichenden Wassergehalt aufweisen, so dass der ionische Widerstand durch die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die Membranbefeuchtung kann von dem Stapel-Wasser-Beiprodukt oder von einer externen Befeuchtung kommen. Der Fluss von Reaktanten durch die Durchflusskanäle des Stapels hat auf die Zellmembranen einen Trocknungseffekt, was am stärksten an einem Eingang des Reaktantenflusses ausgeprägt ist. Es kann jedoch die Akkumulation von Wassertropfen innerhalb der Durchflusskanäle die Reaktanten daran hindern hindurch zu fließen und kann verursachen, dass die Zellen ausfallen aufgrund des niedrigen Reaktanten-Gasflusses, was die Zellenstabilität belastet. Die Akkumulation von Wasser in den Reaktanten-Gasdurchflusskanälen sowie innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist insbesondere problematisch bei niedrigen Ausgangslasten des Stapels.
Wie oben erwähnt, wird Wasser als ein Beiprodukt des Stapelbetriebs erzeugt. Deshalb wird das Kathoden-Abgas des Stapels typischerweise Wasserdampf und flüssiges Wasser einschließen. Es ist in der Technik bekannt, eine Wasserdampftransfer-(WVT)Einheit zum Abfangen von Wasser in dem Abgas der Kathode zu verwenden und das Wasser zum Anfeuchten des Kathoden-Eingangs-Luftstroms einzusetzen. Wasser in dem Abgas der Kathode auf einer Seite der Wassertransferelemente, wie der Membranen, wird durch Wassertransferelemente absorbiert und zu dem Kathoden-Luftstrom auf der anderen Seite des Wassertransferelements transferiert.
Es gibt eine Anzahl von Mechanismen, die während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems auftreten, die einen permanenten Verlust an Stapelspannung und Leistungsfähigkeit verursachen, wie einen Verlust der Katalysatoraktivität, eine Korrosion der Katalysatorhalterung oder einer Nadellochbildung in den Zellmembranen. Es gibt jedoch weitere andere Mechanismen, die Stapelspannungsverluste verursachen können, die im Wesentlichen reversibel sind, wie das Austrocknen der Zellmembranen, die Oxidbildung des Katalysators und die Kontaminanten, die sich sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite des Stapels abscheiden.
Um für ein PEM Brennstoffzellensystem kommerzialisierungsfähig zu werden, ist allgemein eine Begrenzung des Edelmetallgehalts, nämlich von Platin- oder Platinlegierungs-Katalysatoren auf den Brennstoffzellenelektroden, um die Gesamtkosten des Systems zu reduzieren, nötig. Als Ergebnis kann der gesamte zur Verfügung stehende elektrochemisch aktive Oberflächenbereich des Katalysators begrenzt oder reduziert werden, was die Elektroden aufnahmefähiger für eine Kontamination macht. Die Quelle der Kontamination, die einen Stapelspannungsverlust verursachen kann, kann von den Anoden- und Kathoden-Reaktantgas-Versorgungsströmen einschließlich des befeuchtenden Wassers stammen oder innerhalb der Brennstoffzellen aufgrund der Degradation des MEA, der Stapeldichtungen und/oder der Bipolarplatten erzeugt werden. Eine besondere Art der Kontamination schließt Anionen ein, die negativ geladen sind, wie Chlor oder Sulfate, wie SO₄ ². Die Anionen tendieren dazu, auf der Platin-Katalysator-Oberfläche der Elektrode während des normalen Brennstoffzellenbetriebs zu adsorbieren, wenn das Kathoden-Potential typischerweise über 650 mV liegt, womit die aktive Stelle für Sauerstoffreduktionsreaktionen blockiert wird, was zu Zellspannungsverlusten führt. Wenn darüber hinaus die Protonenleitfähigkeit auch von kontaminationsfreier Platinoberfläche höchst abhängig ist, wie von nanostrukturierten Dünnfilm-(NSTF)artigen Elektroden, werden zusätzliche Verluste durch die reduzierte Protonenleitfähigkeit verursacht.
Die US Patentanmeldung Nr. 13/094,300 mit dem Titel ”In-Vehicle Algorithm for Fuel Cell Stack Health Quantification”, die am 26. April 2011 eingereicht wurde und dem Anmelder dieser Anmeldung zugeschrieben ist und hierin durch Bezugnahme enthalten ist, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, was ein Bestimmen eines verbleibenden Katalysator-Oberflächenbereichs und eines Katalysator-Stützbereichs der Katalysatorschichten in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels einschließt, was zum Abschätzen der Stapelspannung verwendet werden kann. Das Verfahren schließt ein Bestimmen eines gesamten parasitären Flusses des Brennstoffzellenstapels ein, um einen parasitären Querstrom und einen Kurzschlusswiderstand des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, um somit den Katalysator-Oberflächenbereich zu determinieren. Durch Kennen des katalytischen Oberflächenbereichs kann die Spannungsgröße, die der Stapel bereitstellen sollte, bestimmt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein System und ein Verfahren offenbart für ein Bestimmen, wann der Betrieb einen Spannungsrückgewinnungsvorgang zum Rückgewinnen eines reversiblen Spannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zu betreiben ist. Das Verfahren schließt ein Schätzen eines irreversiblen Spannungsverlustes der Brennstoffzelle und einer aktuellen Spannung des Brennstoffzellenstapels ein und ein Bestimmen, ob eine Differenz zwischen dem geschätzten irreversiblen Spannungsverlust und der geschätzten aktuellen Spannung einen Schwellwert überschreitet, und wenn dem so ist, wird der Spannungsrückgewinnungsvorgang durchgeführt.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung und die anhängenden Ansprüche im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems; und
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb zeigt zum Bestimmen, wann ein Spannungsrückgewinnungsalgorithmus für ein Rückgewinnen eines reversiblen Spannungsverlustes des Brennstoffzellenstapels in dem Brennstoffzellensystem, das in 1 gezeigt wird, durchzuführen ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, wann ein Spannungsrückgewinnungsalgorithmus zum Rückgewinnen eines reversiblen Spannungsverlustes eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem zu betreiben ist, ist lediglich exemplarischer Natur, und es ist in keiner Weise beabsichtigt, die Erfindung oder die Anwendungen oder die Verwendungen zu begrenzen.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 einschließt, wobei das System 10 in der Lage ist, die Stapelbetriebsbedingungen einer Rückgewinnung der Zellspannungsverluste, auf die unten Bezug genommen wird, bereitzustellen. Ein Kompressor 16 liefert einen Luftstrom zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathoden-Eingangsleitung 14 über eine Wasserdampftransfer-(WVT)Einheit 18, welche die Kathoden-Eingangsluft befeuchtet. Die WVT-Einheit 18 ist eine Art eines anwendbaren Befeuchtungsgerätes, wobei andere Arten der Befeuchtungsgeräte anwendbar sein können, um die Kathoden-Einlassluft zu befeuchten, wie Enthalpy-Räder, Verdampfer usw. Ein Kathoden-Abgas wird von dem Stapel 12 aus einer Kathoden-Abgasleitung 20 durch ein Rückschlagventil 22 abgelassen. Die Abgasleitung 20 leitet das Kathoden-Abgas zu der WVT-Einheit 18, um die Feuchtigkeit zum Befeuchten der Kathoden-Eingangsluft bereitzustellen. Eine Bypass-Leitung 28 ist rund um die WVT-Einheit 18 vorgesehen, um einiges oder alles des Kathoden-Abgases rund um die WVT-Einheit 18 zu dem Kathoden-Abgas rund um die WVT-Einheit 18 in einer kontrollierten Weise. zu führen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Bypass-Leitung 28 eine Einlass-Bypass-Leitung sein. Ein Bypass-Ventil 24 wird in der Bypass-Leitung 28 bereitgestellt und wird gesteuert, um wahlweise das Kathoden-Abgas durch oder rund um die WVT-Einheit zurückzuführen, um eine gewünschte Menge der Feuchtigkeit für die Kathoden-Eingangsluft bereitzustellen. Eine Stickstoffquelle 26 ist auch eingeschlossen, um Stickstoffgas für die Kathodenseite des Stapels 12 vorzusehen.
Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 empfängt Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 32 auf einer Anoden-Eingangsseite 30 und liefert ein Anoden-Abgas auf der Leitung 34 durch ein Ventil 36, wie ein Belüftungsventil, ein Auslassventil usw. Eine Pumpe 38 pumpt eine Kühlflüssigkeit durch den Stapel 12 und durch eine Kühlschleife 40 außerhalb des Stapels 12. Eine Stromquelle 42, wie eine Batterie, ist angeschlossen, um einen Stromfluss durch den Stapel 12 bereitzustellen.
2 ist ein Flussdiagramm 50, dass einen Prozess zum Betreiben eines Spannungsrückgewinnungs-Bestimmungsalgorithmus zeigt, der bestimmt, ob und wann ein Spannungsrückgewinnungsalgorithmus zu betreiben ist, der beabsichtigt, einen reversiblen Spannungsverlust des Brennstoffzellenstapels 12 zurück zu gewinnen, wenn der Stapel 12 in seiner Lebensdauer altert. Der Algorithmus inkrementiert einen Algorithmus-Bestimmungszähler, während das Fahrzeug in einem Einschaltzustand bzw. Schlüsselzustand in Box 52 ist, welcher verhindert, dass der Bestimmungsalgorithmus ständig läuft, aber den Bestimmungsalgorithmus in bestimmten Zeitintervallen anregt zu arbeiten, was anwendungsspezifisch ist und zum Beispiel zu jeder Stunde des Fahrzeugbetriebs sein könnte. Der Zähler wird ansteigen, wenn das Fahrzeug in seinem Schlüsseleinschaltzustand ist, unabhängig davon, ob das Fahrzeug bewegt wird oder nicht, und wird zu einer Zeit anhalten, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist, um in der nächsten Zeit, zu der das Fahrzeug eingeschaltet wird, wieder inkrementiert zu werden.
Sobald der Zähler das vorbestimmte Zeitintervall erreicht, geht der Algorithmus dann zur Box 54 über, um einen irreversiblen Stapelspannungsverlust V_irr zu schätzen. Der Fachmann dieser Technik erkennt unterschiedliche Techniken zum Bestimmen des irreversiblen Spannungsverlustes V_irr des Stapels durch Bestimmen, welche Spannung der Stapel 12 in der Lage ist zu produzieren. In einer Ausführungsform basiert der irreversible Spannungsverlust V_irr auf einem in-situ gemessenen Spannungsverlust, der auf einem verbleibenden Katalysator in der Brennstoffzelle basiert, wie es oben für die '300 Anmeldung erörtert wurde, obgleich andere Techniken zum Bestimmen des irreversiblen Spannungsverlustes V_irr genauso anwendbar sein können.
Sobald der Algorithmus den irreversiblen Spannungsverlust V_irr geschätzt hat, geht dann der Algorithmus auf die Box 56 über, um eine aktuelle Stapelspannung V_act zu schätzen. Der Fachmann der Technik wird unterschiedliche Verfahren zum Bestimmen der geschätzten aktuellen Stapelspannung V_act des Brennstoffzellenstapels 12 bei einer bestimmten Stapelstromdichte erkennen. Ein anwendbares Verfahren, das in der Technik verwendet wird, ist es, eine Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels 12 zu bestimmen, welche eine Abhängigkeit zwischen dem Stapelstrom und der Stapelspannung darstellt. Die US Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2008/0182139, publiziert am 31. Juli 2008 mit dem Titel ”Algorithm for On-Line Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack”, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Stapelspannung unter Verwendung einer Polarisationskurve, welche dem Anmelder dieser Anmeldung zugeschrieben ist und hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
Viele Steuerparameter für ein Brennstoffzellensystem erfordern eine bekannte Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels 12, wie das Kennen des maximalen Spannungspotentials und des Stromabzugs, der von dem Brennstoffzellenstapel 12 verfügbar ist. Der Stapel 12 altert, die Stapelpolarisationskurve ändert sich auch als Ergebnis einer Stapeldegradation. Der Algorithmus der '139 Anmeldung schätzt zwei oder mehr Stapelparameter von gesammelten Daten des Stapels 12, die bearbeitet werden, und verwendet die Parameter, um die Polarisationskurve zu berechnen unter Verwendung der Gleichung:
wobei E_cell die Zellspannung (V) ist, j die Stromdichte (A/cm²) ist, R_HFR der Zellen-HFR-Widerstand (Ohm cm²) ist, E_rev das thermodynamisch reversible Zellenpotential (V) ist, a die Hintergrundstromdichte von einem Zellenkurzschluss/Zellenoberflächenstrom (A/cm²) ist, j⁰ die Austauschstromdichte (A/cm²) ist, j^∞ die Grenzstromdichte (A/cm²) ist, und c der Massentransferkoeffizient ist.
Sobald der Determinationsalgorithmus den irreversiblen Spannungsverlust V_irr und die geschätzte aktuelle Stapelspannung V_atc geschätzt hat, wird eine Spannungsdifferenz ΔV berechnet, welche die Differenz zwischen den Spannungen V_irr und V_act in Box 58 ist. Die Spannungsdifferenz ΔV ist eine Repräsentation dafür wie viel Spannung der Brennstoffzellenstapel 12 in der Lage ist zu produzieren, aber nicht produziert, was durch eine Spannungsrückgewinnungstechnik rückgewinnbar sein sollte. Mit anderen Worten, ist die Spannungsdifferenz ΔV eine Repräsentation des reversiblen Spannungsverlustes des Brennstoffzellenstapels 12.
Der Bestimmungsalgorithmus bestimmt dann, ob die Spannungsdifferenz ΔV größer ist als eine vorgegebene Schwellspannung in Box 60. In einer unbegrenzten Ausführungsform bestimmt der Bestimmungsalgorithmus, ob die Spannungsdifferenz ΔV größer ist als ein erster Spannungsschwellwert bei 100% der Stapelleistung oder größer ist als ein zweiter Spannungsschwellwert bei 25% der Stapelleistung. Die ersten und zweiten Spannungsschwellwerte würden eine spezielle Anwendung für ein spezielles Fahrzeug und ein Brennstoffzellensystem sein und können zum Beispiel 20 mV für den ersten Spannungsschwellwert sein, wobei der zweite Spannungsschwellwert typischerweise ein wenig geringer sein würde, obwohl die beiden Werte auch dieselben sein könnten. Der geschätzte irreversible Spannungsverlust V_irr und die geschätzte aktuelle Spannung V_act werden für einen möglichen Bereich der Stromdichten bestimmt, die auf den Polarisationskurven-Schätzmodellen basieren. Deshalb kann ein irreversibler Spannungsverlust V_irr und eine geschätzte aktuelle Spannung V_act für jede Stapelstromdichte gegeben werden, was somit eine Spannungsdifferenz ΔV für jeden Stapelstromdichtenpunkt ergibt. Die Polarisationskurvenmodelle sind dem Fachmann dieser Technik sehr bekannt, womit sich eine Extraktion von Datenpunkten außerhalb des Betriebsbereichs und eine Interpolation zwischen den Datenpunkten ergeben.
Wenn jede dieser Kriterien für eine spezifische Stapelleistung für eine Spannungsdifferenz ΔV erfüllt ist, dann verursacht der Bestimmungsalgorithmus einen Spannungsrückgewinnungsalgorithmus, der in Box 62 durchgeführt wird. Der Fachmann der Technik wird unterschiedliche Verfahren kennen für ein Rückgewinnen des Spannungsverlustes in einem Brennstoffzellenstapel. Ein nicht eingrenzendes Beispiel kann in der US Patentanmeldung Nr. 12/939,867 gefunden werden, mit dem Titel ”Methods and Processes to Recover Voltage Loss of PEM Fuel Cell Stack”, eingereicht am 4. November 2010, und dem Anmelder dieser Anmeldung zugeschrieben und hierin durch Bezugnahme enthalten. In der '867 Anmeldung werden zwei Techniken beschrieben, die beide den Brennstoffzellenstapel bei einer relativ niedrigen Temperatur betreiben und eine relative Feuchte (RH) für den Kathoden-Einlass über dem Kathoden-Abgassättigungspegel aufweisen. Die erste Technik schließt auch ein Bereitstellen von Wasserstoff an der Anodenseite des Stapels 12 und von Luft an der Kathodenseite des Stapels 12 ein und ein Arbeiten des Stapels bei relativ niedriger Spannung. Die zweite Technik schließt strömenden Wasserstoff zu der Anodenseite des Stapels und Stickstoff zu der Kathodenseite des Stapels 12 ein, sowie von der Quelle 26, unter Verwendung einer externen Stromquelle, wie in der Stromquelle 42, um eine Stromdichte bereitzustellen und um einen Anoden-Feuchtepegel bereitzustellen der signifikant höher als der Kathoden-Feuchtepegel ist. Andere Techniken zur Rückgewinnung des Stapelspannungsverlustes sind dem Fachmann der Technik bekannt. Theoretisch sollte der Spannungsrückgewinnungsalgorithmus alle oder die meisten der reversiblen Spannungen, die verloren gegangen sind, zurückgewinnen, so dass die irreversiblen Spannungsverluste V_irr und die geschätzte aktuelle Stapelspannung V_act nahezu die gleichen sind. Jedoch wird in der Praxis der Spannungsrückgewinnungsalgorithmus Grenzen beim Rückgewinnen all der reversiblen Spannungsverluste haben.
Sobald die Spannungsrückgewinnung durchgeführt worden ist, geht der Algorithmus dann zur Box 64 über, um den Zähler auf Null zurückzustellen und fährt fort mit der Box 52, um auf den nächsten Zeitpunkt zu warten, bei dem der Zähler größer als eine vorbestimmte Zahl ist.
Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Spannungsdifferenz ΔV bei 100% Leistungspegel oder die Effizienz des Leistungspegels bei 25% der Stapelleistung nicht größer ist als der Spannungsschwellwert der Entscheidungsraute 60, dann kann der Bestimmungsalgorithmus ein anderes Verfahren durchlaufen, welches an der Entscheidungsraute 66 bestimmt, ob die aktuelle Stapelspannung V_act eine vorbestimmte Stapelspannung am Lebensende des Brennstoffzellenstapels 12 ist. Insbesondere in einer Ausführungsform bestimmt der Bestimmungsalgorithmus, ob die geschätzte aktuelle Stapelspannung V_act bei 100% der Stapelleistung geringer als die Stapelspannung bei 100% der Leistung ist, die am Ende der Laufzeit (EoL) des Stapels 12 auftritt, was geschätzt oder vorhergesagt werden kann. Die geschätzte aktuelle Spannung V_act bei 100% der Stapelleistung muss mindestens auf minimalem Pegel sein, wobei, wenn die aktuelle Stapelspannung V_act nicht in der Lage ist, diesem minimalen Pegel zu entsprechen, dann ist der Stapel 12 an seinem Lebensende und muss ersetzt werden.
Wenn die geschätzte aktuelle Spannung V_act bei 100% der Stapelleistung geringer als die gewünschte Spannung am Lebensende in der Entscheidungsraute 66 ist, dann addiert der Algorithmus eine erzwungene Rückgewinnungszahl zu einem erzwungenen Rückgewinnungszähler in der Box 68. Jedes Mal, wenn die erzwungene Rückgewinnungszahl erhöht wird, definiert der Algorithmus, ob die erzwungene Rückgewinnungszahl größer ist als eine vorbestimmte Zahl in der Entscheidungsraute 70 und, wenn nicht, wird der Spannungsrückgewinnungsalgorithmus in der Box 62 durchgeführt, so dass ein erzwungener Spannungsrückgewinnungsprozess durchgeführt wird, selbst wenn die Spannungsdifferenz ΔV nicht größer als die Schwellspannung ist. Wenn die erzwungene Rückgewinnungszahl die vorbestimmte Zahl in der Entscheidungsraute 70 überschreitet, dann kann der Spannungsrückgewinnungsprozess nicht genug helfen und der Algorithmus zeigt dem Fahrzeugführer in Box 72 an, dass eine Wartung erforderlich wird. Wenn die geschätzte aktuelle Spannung V_act bei der maximalen Stapelleistung größer ist als die Lebensende-Spannung in der Entscheidungsraute 66, dann fährt der Algorithmus mit der Box 74 fort, wo er den erzwungenen Rückgewinnungszähler auf Null setzt und dann mit der Box 64 fortsetzt, um dort auch den Rückgewinnungszähler auf Null zu setzen.
Bei Betrachtung der Spannungsdifferenz ΔV als eine Rückgewinnungsspannung basierend auf den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs, ist der Spannungsrückgewinnungsalgorithmus adaptierbar für unterschiedliche Fahrzeugführer, die das Fahrzeug unterschiedlich fahren können. Zum Beispiel können Fahrer, die dazu tendieren mit maximaler Stapelleistung oft zu fahren und hohe Spannungstransienten verursachen, öfter eine Spannungsrückgewinnung erfordern.
Die vorhergehende Erörterung offenbart und beschreibt nur exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann der Technik wird bereits von einer derartigen Erörterung und von den begleitenden Zeichnungen und den Ansprüchen erkennen, dass unterschiedliche Änderungen, Modifikationen und Variationen damit durchgeführt werden können, ohne sich von dem Geist und dem Rahmen der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, zu entfernen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen, wann ein Rückgewinnungsprozess einer Stapelspannung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem durchzuführen ist, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen einer Schätzung eines irreversiblen Spannungsverlustes des Brennstoffzellenstapels; – Bereitstellen einer Schätzung einer aktuellen Spannung des Brennstoffzellenstapels; – Bestimmen einer Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung; – Bestimmen, ob die Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung größer als ein vorbestimmter Spannungsschwellwert ist; und – Durchführen des Rückgewinnungsprozesses der Stapelspannung, wenn die Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und dem aktuellen Spannungsverlust größer ist als ein vorbestimmter Spannungsschwellwert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Bereitstellen einer Schätzung des irreversiblen Spannungsverlustes, ein Bereitstellen einer Schätzung der aktuellen Spannung und ein Bereitstellen einer Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung einschließt, ein Bereitstellen eines Schätzens des irreversiblen Spannungsverlustes, ein Bereitstellen einer Schätzung der aktuellen Spannung und ein Bereitstellen der Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung über einen Stromdichteausgangsbereich des Brennstoffzellenstapels.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Bereitstellen eines Schätzens der aktuellen Spannung des Brennstoffzellenstapels ein Verwenden einer Polarisationskurve einschließt, die eine Beziehung zwischen der Stapelspannung und der Stapelstromdichte identifiziert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob die Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung größer als ein vorbestimmter Spannungsschwellwert ist, ein Bestimmen einschließt, ob die Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung bei 100% der Stapelleistung größer als ein erster vorbestimmter Spannungsschwellwert ist, und ein Bestimmen, ob die Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung bei 25% Stapelleistung größer als ein zweiter vorbestimmter Spannungsschwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste und der zweite vorbestimmte Spannungsschwellwert unterschiedlich sind und der erste vorbestimmte Spannungsschwellwert größer als der zweite vorbestimmte Spannungsschwellwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin ein Bestimmen umfasst, ob die geschätzte aktuelle Spannung bei 100% Stapelleistung geringer ist als eine vorbestimmte Spannung zum Lebensende des Stapels ist, und ob die Differenz zwischen dem irreversiblen Spannungsverlust und der aktuellen Spannung nicht größer ist als der vorbestimmte Spannungsschwellwert.
Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin umfasst, ein Veranlassen den Rückgewinnungsprozess der Stapelspannung durchzuführen, wenn die geschätzte aktuelle Stapelspannung geringer als die vorbestimmte Spannung am Lebensende bei 100% der Stapelleistung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, das weiterhin umfasst: ein Inkrementieren eines erzwungenen Spannungsrückgewinnungszählers für jeden Zeitpunkt, bei dem der Rückgewinnungsprozess der Stapelspannung durchgeführt ist, wenn die geschätzte aktuelle Stapelspannung geringer ist als die vorbestimmte Spannung am Lebensende, und ein Einstellen eines Wartungshinweises, wenn der erzwungene Rückgewinnungszähler eine vorbestimmte Zahl erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin umfasst: ein periodisches Inkrementieren eines Rückgewinnungszählers, wenn das System in einem Einschaltzustand ist, und nur das Verfahren zum Bestimmen wann der Rückgewinnungsprozess der Stapelspannung durchzuführen ist, durchzuführen, wenn der Rückgewinnungszähler eine vorbestimmte Zahl erreicht.