DE102012104143B4

DE102012104143B4 - Regelstrategie zur Vermeidung eines unerwarteten Wasserstoffflusses zur Kathode aufgrund eines ausgefallenen Drucksensors während des katalytischen Heizens

Info

Publication number: DE102012104143B4
Application number: DE102012104143.1A
Authority: DE
Inventors: Seth Lerner; Steven Falta
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2032-05-12
Also published as: US8642223B2; US20120321979A1; CN102832401A; DE102012104143A1; CN102832401B

Abstract

Verfahren zum Bereitstellen einer Anforderung für einen Wasserstofffluss von einem Anoden-Subsystem zu einem Kathoden-Subsystem eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst:- Empfangen einer Anforderung für einen Wasserstofffluss von dem Anoden-Subsystem zu dem Kathoden-Subsystem;- Bereitstellen einer vorbestimmten Menge des angeforderten Wasserstoffflusses, wobei die vorbestimmte Menge geringer als die angeforderte Menge des Wasserstoffflusses ist;- Bestimmen eines Schätzwertes des Injektordurchflusses für den Wasserstoff, der durch einen Injektor zu dem Anoden-Subsystem fließt;- Bestimmen eines Schätzwertes des Ventildurchflusses für den Wasserstoff, der durch ein Ventil in eine Leitung fließt, die das Anoden-Subsystem mit dem Kathoden-Subsystem verbindet;- Berechnen eines Fehlers, der eine Differenz zwischen des Schätzwertes des Injektordurchflussses und des Schätzwertes des Ventildurchflusses ist; undVervollständigen der Anforderung für den Wasserstofffluss durch Bereitstellen der gesamten Menge an Wasserstoff, die angefordert worden ist, wenn der berechnete Fehler unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes ist und Anpassen der Anforderung für den Wasserstofffluss, wenn der berechnete Fehler oberhalb des vorbestimmten Schwellwertes liegt, wobei das Bestimmen eines Schätzwertes des Ventildurchflusses für den Wasserstoff, der durch das Ventil fließt, ein Messen des Druckes des Wasserstoffs in einer Leitung einschließt, die stromaufwärts des Ventils liegt, und ein Messen des Druckes des Wasserstoffs in einer Leitung, die stromabwärts des Ventils liegt, und wobei das Bestimmen eines Schätzwertes des Ventildurchflusses für den Wasserstoff, der durch das Ventil fließt, die Verwendung der Gleichung einschließt:n˙SubSonic=PAnin⋅AvivMWAnOut(2R(Tcoolin))(kk−1)[(PCalnAAnin)2/k−(PCalnPAnin)k+1/k]wobei nSubSoniceine molare Flussrate des Wasserstoffs für einen Fluss im Unterschallbereich ist, PAninein Druck in einer Anoden-Schleife in kPa ist, nämlich die Anoden-Hochdruckseite, AVlveine Querschnittsfläche des Ventils ist, MWAnOutdie molare Masse eines Anoden-Auslassgases ist, R die ideale Gaskonstante ist, TcoolIneine Temperatur des Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels ist, k ein Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten ist, PCaInein Druck eines Kathoden-Einlasses, wie er durch einen Drucksensor in kPa gemessen wird, ist, der auch als ein niederseitiger Druck bekannt ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Vermeiden eines unerwarteten Wasserstoffflusses zu einer Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere ein Verfahren zum Vermeiden eines unerwarteten Wasserstoffflusses zu einer Kathodenseite eines Brennstoffstapels während eines katalytischen Heizens durch Begrenzen eines Wasserstoffflusses zu der Kathodenseite bis eine Bestimmung der Genauigkeit einer Ventildurchflussschätzung durchgeführt werden kann.
Erörterung der relevanten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, weil er sauber und weil er zum effektiven Erzeugen von Elektrizität in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist 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 ist in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoff-Protonen wandern durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Wasserstoff-Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und die Elektronen in der Kathode erzeugen Wasser. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten wandern und werden somit durch eine Last zum Bilden von Arbeit geführt, bevor sie zu der Kathode gesandt werden.
Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) bilden eine allgemeine Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine protonenleitende Membran eines festen Polymerelektrolyten, wie eine Perfluorosulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode enthalten typischerweise, fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln gehalten wird und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran deponiert. Die Kombination der anodenkatalytischen Mischung, der kathodenkatalytischen Mischung und der Membran definieren einen Membran-Elektroden-Aufbau (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Konditionen für einen wirkungsvollen Betrieb.
Einige Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. 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 Beiprodukt des Stapels enthalten kann. Der Brennstoffstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoff-Eingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise eine Serie von Bipolarplatten, die zwischen den unterschiedlichen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten schließen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel ein. Anoden-Gasstromkanäle werden an der Anodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, die es der Anode ermöglichen, dass reaktantes Gas zu der jeweiligen MEA fließt. Kathoden-Gasstromkanäle werden auf der Kathodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, die der Kathode ermöglichen, reaktantes Gas zu den entsprechenden MEAs fließen zu lassen. Eine Endplatte umfasst Anoden-Gasstromkanäle und die andere Endplatte umfasst Kathoden-Gasstromkanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten werden aus einem leitenden Material, wie einem rostfreien Stahl oder einer leitenden Zusammensetzung, hergestellt. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die durch die Brennstoffzellen erzeugt wird, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten auch Strömungskanäle, durch die eine Kühlflüssigkeit fließt.
Die MEAs sind permeabel und ermöglichen somit Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels dort hindurch zu permeieren und auf der Anodenseite des Stapels gesammelt zu werden, was in der Industrie als Stickstoffübergang bezeichnet wird. Obgleich der anodenseitige Druck ein wenig höher sein kann als der kathodenseitige Druck veranlasst der kathodenseitige Partialdruck den Sauerstoff und den Stickstoff durch die Membran zu permeieren. Der permeierte Sauerstoff reagiert in der Anwesenheit des Anodenkatalysators, aber der permeierte Stickstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff. Wenn die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz, wie 50%, steigt, kann der Brennstoffzellenstapel instabil werden und kann ausfallen.
In der Technik ist es bekannt, ein Entlüftungsventil an dem Anoden-Abgasausgang des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen. Es ist auch in der Technik bekannt, den molaren Anteil des Stickstoffs auf der Anodenseite unter Verwendung eines Modells zu schätzen, um zu bestimmen, wann die Entlüftung der Anodenseite oder des Anoden-Subsystems durchzuführen ist. Jedoch kann die Modellschätzung Fehler enthalten, insbesondere wenn über die Zeit eine Degradation der Komponenten des Brennstoffzellensystems auftritt. Wenn die Schätzung des molaren Anteils des Anoden-Stickstoffs signifikant höher als der aktuelle molare Anteil des Stickstoffs ist, wird das Brennstoffzellensystem mehr Anoden-Gas als notwendig freigeben, das heißt, es geht Brennstoff verloren. Wenn die Schätzung des molaren Anteils des Anoden-Stickstoffs signifikant niedriger als der aktuelle molare Anteil des Stickstoffs ist, wird das System nicht genügend Anoden-Gas entlassen und es kann die Brennstoffzellen an Reaktanten verarmen, was die Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel beschädigen kann.
In dem Brennstoffzellensystem kann Wasserstoff in den Lufteinlass geführt werden, um auf der Kathodenseite mit einem Brennstoffzellenstapel zum Zwecke der von Wärmeerzeugung zu reagieren. Typischerweise wird dieses durch das Fließen von Wasserstoff von der Anode direkt in den Kathoden-Einlass über ein Ventil mit einer bekannten Ventilöffnungsgröße durchgeführt. Um die Wärmemenge, die erzeugt wird, zu steuern, muss der Wasserstofffluss genau geregelt werden. Somit ergibt sich ein Bedarf in der Technik sicherzustellen, dass ein unerwarteter Wasserstofffluss nicht auftritt, wenn der Wasserstoff von der Anode direkt in den Kathoden-Einlass fließt. Das Patentdokument US 7 846 601 B2 beschreibt ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Das Patentdokument US 7 320 840 B2 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem kombinierten Injektor-Ejektor System. Die Druckschrift DE 10 2005 047 972 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern des Durchflusses eines Wasserstoffgases an einen Brennstoffzellenstapel über Steuerung eines Einschaltverhältnisses eines Injektors. Die Druckschrift DE 10 2007 060 712 A1 beschreibt ein Verfahren zum Detektieren von Brennstofflecks in einem Anoden-Subsystem einer Brennstoffzelle anhand eines Anodendrucks im Zusammenhang mit Brennstoffströmung durch einen Injektor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Gasflusses durch einen Injektor und eines Gasflusses durch ein Ventil in einem Brennstoffzellensystem. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen einer Injektordurchflussschätzung Schätzung für das Gas, das durch den Injektor fließt, und ein Bestimmen einer Ventildurchflussschätzung für das Gas, das durch das Ventil fließt. Das Verfahren umfasst auch ein Berechnen eines Fehlers, der eine Differenz zwischen der Injektordurchflussschätzung und Ventildurchflussschätzung ist, und ein Anpassen des Gasflusses durch das Ventil basierend auf dem Fehler.
Zusätzliche Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die nachfolgende Beschreibung und die anhängenden Ansprüche in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen.
Figurenliste

1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
2 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus für ein Begrenzen des Wasserstoffflusses durch ein Ventil, bis eine Ventildurchflussschätzung als akkurat bestimmt ist;
3 ist ein Graph mit der Zeit auf der x-Achse und dem kathodenkatalytischen Heizfluss auf der y-Achse, der einen Rampenplan für den Wasserstofffluss basierend auf der Bestimmung des unerwarteten Wasserstoffflusses darstellt gemäß dem Stand der Technik; und
4 ist ein Graph mit der Zeit auf der x-Achse und dem kathodenkatalytischen Heizfluss auf der y-Achse, der einen Rampenplan für den Wasserstofffluss basierend auf der Bestimmung des unerwarteten Wasserstoffflusses darstellt gemäß der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 einschließt. Wasserstoffgas wird von einer Wasserstoffquelle 14 für die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anoden-Eingangs-Leitung 18 durch einen Injektor 16 bereitgestellt, wie durch einen Injektor/Ejektor. Ein Drucksensor 48 ist in der Eingangsleitung 18 enthalten, um den Druck des Wasserstoffs, der von dem Injektor 16 geliefert wird, zu messen. Ein aus der Anode entweichendes Gas, das an einem Ausgang der Anodenseite des Stapels 12 bereitgestellt wird, wird zurückgeführt in den Brennstoffzellenstapel 12 über eine Anoden-Rezirkulationsleitung 20. Die Anoden-Eingangs-Leitung 18, der Injektor 16, die Anodenseite des Stapels 12 und die Anoden-Rezirkulationsleitung 20 sind alle Komponenten, die ein „Anoden-Subsystem“ bilden, und die Anoden-Eingangs-Leitung 18 und die Anoden-Rezirkulationsleitung 20 bilden eine „Anoden-Schleife“, wie sie dem Fachmann der Technik bekannt ist.
Ein Stickstoff-Übergang von der Kathodenseite des Stickstoff-Zellenstapels 12 verdünnt den Wasserstoff auf der Anodenseite des Stapels 12, wovon die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 12 betroffen ist. Deshalb ist es notwendig, periodisch die Anode durch entweichendes Gas aus dem Anoden-Subsystem unter Verwendung eines Entlüftungsventils 26 zu entlüften, um die Menge des Stickstoffs in dem Anoden-Subsystem zu verringern, nämlich auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12. Wenn das Entlüftungsventil 26 geöffnet ist, fließt das Gas mit dem entweichenden Anoden-Abgas durch die Entlüftungsleitung 28.
Luft von dem Kompressor 32 wird für die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf der Leitung 34 bereitgestellt. Ein Kathoden-Gas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf der Kathoden-Gasleitung 36 ausgegeben. Die Leitung 34 der Kathodenseite des Stapels 12 und die Kathoden-Gasleitung 36 sind alles Teile eines „Kathoden-Subsystems“. Ein Mischgerät 38 wird in der Leitung 36 bereitgestellt zum Mischen des Kathoden-Gases von dem Stapel 12 und dem entweichenden Anoden-Abgas aus der Leitung 28. Eine Leitung 30 liefert Wasserstoff von der Anoden-Schleife zu der Kathoden-Einlass-Leitung 34. Ein Ventil 46 ist in der Leitung 30 bereitgestellt, um den Wasserstofffluss von der Anoden-Schleife zu der Kathoden-Einlass-Leitung 34 zu regeln, wie es detaillierter unten diskutiert wird. Die Leitung 30 enthält auch einen Drucksensor 22 stromaufwärts des Ventils 46 und einen Drucksensor 24 stromabwärts des Ventils 46, die verwendet werden, um den Druck in dem Anoden-Subsystem und dem Kathoden-Subsystem so zu steuern, dass ein gewünschter Fluss durch das Ventil 46 erreicht werden kann, wie detaillierter unten beschreiben wird.
Eine Pumpe 42 pumpt ein Kühlmittel durch den Stapel 12 und eine Kühlmittelleitung 40, die außerhalb des Stapels 12 vorhanden ist. Obgleich zur Verbesserung der Klarheit nicht gezeigt, kann ein Radiator und/oder ein Wärmetauscher in der Kühlmittelleitung 40 enthalten sein, um den Brennstoffzellenstapel 12 auf einer gewünschten Temperatur zu halten.
Ein Steuergerät 44 überwacht und steuert die Temperatur und den Druck des Anoden-Subsystems und des Kathoden-Subsystems des Brennstoffzellensystems 10, steuert die Geschwindigkeit des Kompressors 32, die Injektion von Wasserstoff von dem Injektor 16 auf die Anodenseite des Stapels 12 und steuert die Stellung des Anoden-Entlüftungsventils 26 und des Ventils 46, wie es detaillierter unten erörtert wird.
Der Druck in der Anoden-Schleife, welche die Leitung 30 bis zu dem Ventil 46 einschließt, wird durch den Drucksensor 22 überwacht, welcher die „Hochdruckseite“ bildet, weil das Anoden-Subsystem auf einem höheren Druck als das Kathoden-Subsystem gehalten wird, wie es für den Fachmann der Technik bekannt ist. Der Druck des Wasserstoffs in der Leitung 30 stromabwärts des Ventils 46 wird durch den Drucksensor 24 überwacht, wenn das Ventil 46 geöffnet ist, welches die „Niederdruckseite“ bildet, wie es detaillierter unten erörtert wird. Die Öffnungsgröße des Ventils 46 ist bekannt, somit kann unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung die molare Flussrate des Wasserstoffs für eine Strömung im Unterschallbereich determiniert werden zu: ${\dot{n}}_{S u b S o n i c} = \frac{P_{A n i n} \cdot A_{v_{i v}}}{\sqrt{M W_{A n O u t}}} \sqrt{(\frac{2}{R (T_{c o o l i n})}) (\frac{k}{k - 1}) [{(\frac{P_{C a l n}}{A_{A n i n}})}^{2 / k} - {(\frac{P_{C a l n}}{P_{A n i n}})}^{k + 1 / k}]}$
wobei n_SubSonic die molare Flussrate des Wasserstoffs für einen Fluss im Unterschallbereich ist, P_Anin der Druck in der Anoden-Schleife in kPa ist, nämlich die Anoden-Hochdruckseite, A_Viv die Querschnittsfläche des Ventils 46 ist, MW_AnOut die molare Masse des Anoden-Auslassgases (ein Äquivalent, der für diesen Term verwendet werden kann, ist das k_v des Ventils), R die ideale Gaskonstante ist (ungefähr 8,3144 kPa·L Mol^-1K^-1), T_coolIn die Temperatur des Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels 12 ist, k das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten (bei konstantem Druck bzw. konstantem Volumen) ist (für Wasserstoff ist dieser Wert 1,4), P_CaIn der Druck des Kathoden-Einlasses ist, wie er durch den Drucksensor 24 in kPa gemessen wird, der auch als niederseitiger Druck bekannt ist.
Durch die Gleichung (1) kann erkannt werden, dass durch Regeln des anodenseitigen Hochdruckes ein gewünschter Fluss erreicht werden kann, wenn der Niederseitendruck bekannt ist. Wenn eine Änderung in dem niederseitigen Druck auftritt, passt das Steuergerät 44 den anodenseitigen Hochdruck an, um einen gewünschten Fluss aufrecht zu erhalten.
Sollte einer der Drucksensoren 22 oder 24 fehlerhaft sein, so dass er einen höheren oder niedrigeren Wert als den aktuellen Druck zeigt, wird eine Rückflussschätzung des Wasserstoffs, der durch das Ventil 46 strömt, unter Verwendung der obigen Gleichung (1), den Fluss von Wasserstoff durch die Leitung und das Ventil 46 zu der Kathoden-Einlass-Leitung 34 inkorrekt schätzen. Der aktuelle Fluss des Wasserstoffs zu der Kathoden-Einlass-Leitung 34 kann höher oder niedriger als der gewünschte Fluss sein. Wenn der aktuelle Fluss von Wasserstoff zu der Kathoden-Einlass-Leitung 34 größer als erwartet ist, kann der Überschuss des Wasserstoffflusses zu der Kathoden-Einlass-Leitung 34 „ausgleiten“, nämlich durch die Kathodenseite des Stapels 12 passieren und das Brennstoffzellensystem 10 über die Kathoden-Abgas-Leitung 36 verlassen. Dieses kann verursachen, dass die Wasserstoffkonzentration der Kathoden-Abgas-Leitung die maximal zulässige Grenze überschreitet.
Um deshalb sicherzustellen, dass die Ventildurchflussschätzung genau ist, kann die Ventildurchflussschätzung verglichen werden mit einer Injektordurchflussschätzung, was den Wasserstofffluss in das Anoden-Subsystem durch den Injektor berechnet. Der Wasserstofffluss durch den Injektor 16 kann unter Verwendung der Gleichung bestimmt werden zu: ${\dot{n}}_{I n j S o n i c} = \frac{P_{A n l n S p l y} \cdot A_{I n j} \cdot k_{I n j A d p t F x}}{\sqrt{M W_{F u e l}}} \sqrt{(\frac{k}{R \cdot (T_{S p l y})}) {(\frac{2}{k + 1})}^{\frac{k + 1}{k - 1}}}$
wobei n_InjSonic die molare Flussrate des Wasserstoffs durch den Injektor für eine Strömung im Unterschallbereich ist, P_AnInSply der Druck der Anoden-Eingangs-Leitung 18 stromaufwärts des Injektors 16 ist, A_Inj die Querschnittsfläche des Injektors 16 ist, k_InjAdptFx ein Adaptionsfaktor, um eine Variation von Teil zu Teil und andere Unbekannte des Injektors zu berücksichtigen, ist, MW_fuel die molare Masse des Wasserstoffbrennstoffs ist, k das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten (für Wasserstoff ist dieser Wert 1,4), R die ideale Gaskonstante ist (ungefähr 8,3144 kPa·L Mol^-1K^-1), T_Sply die Temperatur des Wasserstoffs in der Eingangsleitung 18 stromabwärts des Injektors 16 ist.
Die Menge des Wasserstoffs, der in das Anoden-Subsystem injiziert wird, minus der Menge des Wasserstoffs, der durch die Brennstoffzellenreaktion in dem Stapel 12 verbraucht wird, ist gleich der geschätzten Menge des Wasserstoffflusses, von dem erwartet wird, dass er durch das Ventil 46 in der Leitung 30 fließt. Andere Faktoren, wie Wasserstoff-Übergangsverluste und Wasserstoff-Entweichungsraten, sollten in der geschätzten Menge des Wasserstoffflusses enthalten sein, um eine genaue Schätzung der Menge des Wasserstoffs, der zum Durchfließen des Ventils 46 zu erwarten ist, sicherzustellen.
Das Injektordurchflussmodell der Gleichung (2) kann nur mit dem Durchflussmodell der Gleichung (1) verglichen werden, wenn das Ventil 46 geöffnet ist und Wasserstoff durch das Ventil 46 fließt. Das Problem, das damit verbunden ist, wenn das Injektordurchflussmodell der Gleichung (2) mit dem Ventildurchflussmodell der Gleichung (1) verglichen wird, ist, dass die Diagnose des Problems nachdem das Problem bereits vorhanden ist, erscheint. Sollte folglich der Kathoden-Drucksensor 24 einen höheren Druck anzeigen als der aktuelle Druck und das Ventil 46 angewiesen sein, offen zu sein, um Wasserstoff zu der Kathodenseite des Stapels 12 in der Leitung 30 fließen zu lassen, wird der Wasserstofffluss in der Leitung 30 höher als erwünscht sein. Somit ist zu bedenken, dass dieses nur berechnet werden kann, nachdem das Ventil 46 geöffnet ist und viel zu viel Wasserstoff durch die Leitung 30 zu fließen scheint. Mit anderen Worten wird das Problem, wie oben bereits festgestellt, nur erfasst werden, wenn es bereits zu spät ist.
Um das Problem, nicht in der Lage zu sein, eine Wasserstoffflussdiagnose oder eine Drucksensordiagnose durchzuführen, bis ein Fluss durch die Leitung 30 auftritt, anzugehen, werden die Betriebskonditionen des Brennstoffzellensystems 10 eingestellt, bevor der gewünschte Wasserstofffluss durch das Ventil 46 auf der Leitung 30 ermöglicht wird. Weil die gewünschte Flussrate auf der Menge der gewünschten Wärmeerzeugung basiert, wird der Druck in dem Anoden-Subsystem an den Druck angepasst, der die gewünschte Flussrate erfüllt, wenn die Anforderung für ein katalytisches Heizen auftritt. Die Anforderung des katalytischen Heizens tritt typischerweise auf, bevor die Forderung für das Ventil 46 auftritt das Ventil zu öffnen. Um somit zu verhindern, dass ein unerwünschter Wasserstofffluss der Kathodenseite des Stapels 12 auf der Leitung 30 aufgrund eines fehlerhaften Lesens des Druckes von dem Drucksensor 24 auf der Niederdruckseite auftritt, ist ein Verfahren zum Reduzieren des Anoden-Druckes des Anoden-Subsystems auf einen sicheren Wert oder auf einen normalen Wert vor dem Öffnen des Ventils 46 notwendig.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, nachdem das Ventil 46 geöffnet ist und die Flussschätzung als genau bestätigt ist, wie es detaillierter unten erläutert wird, die Wasserstoffrate durch das Ventil 46 von einer konservativen Flussrate auf die gewünschte Rate für ein kathodenkatalytisches Heizen durch Erhöhen des anodenseitigen Druckes derart ansteigen, dass die gewünschte Flussrate, um ein katalytisches Heizen des Brennstoffzellenstapels 12 zu erreichen, vollendet ist. Der sichere Wert oder nominale Wert für den anfänglichen Wasserstofffluss, wie oben erörtert, könnten auf einem minimal zulässigen Wert für einen anodenseitigen oder kathodenseitigen Druck basieren, vorausgesetzt, dass dieses zum Beispiel auf der Menge des Kathoden-Luftstroms, der zum Verdünnen des Wasserstoffs zum Kathoden-Subsystem addiert ist, basiert. Folglich wird das Verfahren des Beibehaltens des anfänglichen Wasserstoffflusses auf einem sicheren Wert oder einem nominalen Wert, bis die Ventilflussabschätzung durch das Ventil 46 bestimmt ist genau zu sein, genügend Zeit bereitstellen für die Diagnose, um eine Prüfung ohne einen unerwünschten hohen Wasserstofffluss zu der Kathodenseite des Stapels 12 auf der Leitung 30 zu riskieren, was das Risiko einer Abgas-Wasserstoff-Störung an dem Brennstoffzellensystem 10 darstellen kann.
2 ist ein Flussdiagramm 60 eines Algorithmus zum Begrenzen des Wasserstoffflusses durch das Ventil 46, bis eine Ventildurchflussschätzung des Ventils 46 als genau bestimmt worden ist. Der Algorithmus beginnt, wenn eine kathodenkatalytische Heizanforderung in der Entscheidungsraute 62 empfangen wird. Sobald die kathodenkatalytische Heizsanforderung an der Entscheidungsraute 62 empfangen ist, wird die erforderliche Wärmemenge in der Box 64 gewählt. Die geforderte Wärmemenge, die in der Box 64 gewählt ist, basiert auf Faktoren, wie der anfänglichen Stapeltemperatur und der gegenwärtigen Stapeltemperatur.
Sobald die erforderliche Wärmemenge in der Box 64 bestimmt ist, wird die Menge des Wasserstoffflusses, der erforderlich ist, in der Box 66 berechnet. Der berechnete Wert für die Menge des Wasserstoffflusses, der in Box 66 enthalten ist, kann ein Wert sein, der ein Wasserstoffabsinken und ein Ziel der Wasserstoffkonzentration am Kathoden-Einlass bereitstellt, was anwachsen kann oder das geforderte Wärmeziel begrenzt.
Als nächstes stellt der Algorithmus fest, ob das Ventil 46 in der Entscheidungsraute 68 geöffnet ist. Wenn der Algorithmus feststellt, dass das Ventil 46 in der Entscheidungsraute 68 geöffnet ist, wird ein Rampenplan für die gezielte Durchflussanforderung in Box 70 angewandt. Der Rampenplan, der angewandt wird, kann in Ausdrücken von Prozenten des kathodenkatalytischen Heizens gegenüber der Zeit sein, und die gesamte Zeit, die zum Ansteigen von 0% auf 100% des Wasserstoffs benötigt wird, um das Erzielen des kathodenkatalytischen Heizens zu erreichen, wird typischerweise im Bereich von Sekunden sein. Um sicherzustellen, dass kein Rückfluss auftritt, nämlich um sicherzustellen, dass der Kathoden-Luftstrom nicht in das Anoden-Subsystem des Stapels 12 auf der Leitung 30 eindringt, muss ein minimal zulässiger Vordruck im Anoden-Subsystem gegenüber dem Kathoden-Subsystem durch ein Drucksteuergerät, wie das Steuergerät 44, in Box 72 beibehalten werden. Der minimale Vordruck, der durch den Algorithmus in der Drucksteuer-Box 72 verwendet wird, koinzidiert mit einem niedrigen Prozentsatz des Zieldurchflusses, der zum Heizen erforderlich ist, und bildet somit die niedrige Prozentzahl des Rampenplans, was bedeutet, dass der Beginn des Rampenplans festgelegt ist, so dass er nicht unter einen bestimmten Durchschnittwert fällt, um sicherzustellen, dass ein Minimum an Vordruck des Anoden-Subsystems gegenüber dem Kathoden-Subsystem derart beibehalten wird, dass die Kathoden-Luft nicht auf die Anodenseite des Stapels 12 auf der Leitung 30 fließt, wenn das Ventil 46 geöffnet ist.
Sobald das Ventil 46 geöffnet ist, wie es durch die Entscheidungsraute 68 bestimmt ist, beginnt der Rampenplan in der Box 70, und das Ventildurchflussmodell wird aktiv, wie es durch eine Einschalt-Box 74 gezeigt wird. Ein Anoden-Drucksensor-Eingang 90 und ein Kathoden-Einlass-Drucksensor 92 des Drucksensors 24 werden in eine Berechnungs-Box 94 für ein Ventildurchflussmodell eingegeben, die den Durchfluss von Wasserstoff zu der Kathoden-Leitung 34 in Mol pro Sekunden schätzt. Das berechnete Ventilflussmodell wird dann in die Einschalt-Box 74 eingegeben.
Immer wenn der Injektor 16 Wasserstoff in das Anoden-Subsystem fließen lässt, wird der Algorithmus die Menge des Durchflusses, der erforderlich ist, wie oben in Gleichung (2) beschrieben ist, bestimmen. Typischerweise wird der Anoden-Druck ansteigen, um den angeforderten kathodenkatalytischen Wasserstofffluss vor dem Öffnen des Ventils 46, basierend auf dem geschätzten Fluss durch das Ventil 46, als ob das Ventil 46 geöffnet war, zu erreichen. Das Ventil 46 wird dann kurz darauf geöffnet. Die Berechnung der Gleichung (1) verwendet sowohl den anodenseitigen Druck, der von dem Drucksensor 22 gemessen wird, als auch den kathodenseitige Druck, der durch Drucksensor 24 als Druckrückkopplung gemessen wird, um den Druckabfall über dem Ventil 46, unter Verwendung der bekannten Öffnungsgröße der Öffnung 46, wie oben erwähnt, zu bestimmen. Wie ebenfalls oben erörtert, kann eine einfache Verwendung der Gleichung (1), um den Druckabfall über dem Ventil 46 zu bestimmen, zu Situationen führen, wie zu einer reduzierten Aufheizrate oder zu einem exzessiven Wasserstoff für die Kathoden-Einlass-Leitung 34, wenn das Ventildurchflussmodell inakkurat ist. Das Ventildurchflussmodell wird inakkurat, wenn einer oder beide der Sensoren 22 und 24 eine inkorrekte Druckablesung an das Steuergerät 44 berichten, wobei der aktuelle Durchfluss nicht dem erwarteten Durchfluss, wenn das Ventil 46 offen ist, entspricht. Gemäß dem vorliegenden Algorithmus ist das Ventil 46 mit einem minimalen Flussraten-Einstellpunkt für den Wasserstofffluss geöffnet, bevor die gewünschte Wasserstoffflussrate zu der Zielrate erhöht wird, um sicherzustellen, dass der Durchfluss durch das Ventil 46 akkurat ist, um somit zu verhindern, dass unabsichtlich zuviel Wasserstoff ermöglicht wird zu der Kathodenleitung 34 zu fließen.
Sobald der Rampenplan in Box 70 festgelegt ist und das Ventildurchflussmodell in der Einschalt-Box 74 gültig geworden ist, wird der Algorithmus die erwartete Menge des Wasserstoffflusses durch das Ventil 46 unter Rückkopplung von den Drucksensoren 22 und 24 und Gleichung (1), wie oben erörtert, bestimmen und Gleichung (1) mit dem auf dem Injektor basierenden Modell der Gleichung (2) in der Komparator-Box 76 vergleichen. Ein Anoden-Versorgungsdrucksensor-Eingang 96 mit dem Drucksensor 48 wird in ein Ventildurchflussmodell basierend auf einer Injektorschätzung der Box 98 eingegeben, welche die Menge des Wasserstoffflusses zu der Kathoden-Leitung 34 in Mol unter Verwendung der Gleichung (2), wie oben erörtert, schätzt. Die Berechnung von dem Ventildurchflussmodell, das auf einer Injektorschätzungs-Box 98 basiert, wird dann in die Komparator-Box 76, wie oben festgelegt, eingegeben.
Um die Genauigkeit des Vergleichs sicherzustellen, führt der Algorithmus den Vergleich in der Komparator-Box 76 durch, wenn die Anforderung an den Wasserstoff auf einem konstanten Wert ist, nämlich während eines Plateaus in dem Rampenplan, wie später im Detail erörtert.
Es ist anzumerken, dass dieser Algorithmus nicht erkennt, ob der anodenseitige Drucksensor 22 oder der kathodenseitige Drucksensor 24 ausgefallen ist. Der Algorithmus bestimmt nur den Fehler zwischen den Ventildurchflussberechnungen der Gleichung (1) und dem Injektormodell der Gleichung (2) in der Entscheidungsraute 78. Wenn der Algorithmus feststellt, dass der Fehler zwischen der Ventildurchflussberechnung und dem Injektormodell Null oder unter einem vorbestimmten Schwellwert in der Entscheidungsraute 78 ist, endet der Algorithmus mit der Box 80 und der Rampenplan mit dem Zielfluss in der Box wird ausgeführt, um die kathodenkatalytische Heizanforderung auszuführen.
Wenn der Algorithmus feststellt, dass der Fehler zwischen der Ventildurchflussberechnung der Gleichung (1) und des Injektormodells der Gleichung (2) über einem vorbestimmten Schwellwert in der Entscheidungsraute 78 liegt, bestimmt der Algorithmus, ob der Wasserstofffluss höher als erwartet in der Entscheidungsraute 82 ist. Wenn der Wasserstofffluss höher als erwartet in der Entscheidungsraute 82 ist, wird der Algorithmus den maximalen Durchfluss von Wasserstoff begrenzen, um den Fehler zu kompensieren, nämlich den höher als erwarteten Durchfluss in Box 84. Wenn der Algorithmus den maximalen Durchfluss von Wasserstoff in der Box 84 begrenzt hat, wird der Algorithmus den Rampenplan in Box 70 ändern, und der angepasste Wert für den gewünschten Wasserstoffdurchflusspunkt wird durch das Steuergerät 44 in der Drucksteuer-Box 72 eingestellt.
Wenn der Fluss des Wasserstoffs nicht höher als erwartet in der Entscheidungsraute 82 ist, bestimmt der Algorithmus, ob der Fluss von Wasserstoff niedriger als erwartet in der Entscheidungsraute 86 ist. Wenn der Algorithmus ermittelt, dass der Fluss des Wasserstoffs niedriger als erwartet an der Entscheidungsraute 86 ist, erhöht der Algorithmus den Zielfluss des Wasserstoffs um den Fehler zu kompensieren, nämlich ihn auf einen niedrigeren Fluss als erwartet in Box 88 zu kompensieren. Sobald der Algorithmus den maximalen Durchfluss des Wasserstoffs in der Box 88 erhöht hat, wird der Algorithmus den Rampenplan in der Box 70 ändern und der angepasste Wert für den gewünschten Wasserstoffdurchfluss-Einstellpunkt wird durch das Steuergerät 44 in der Drucksteuergeräte-Box 72 eingestellt. In dieser Weise können kathodenkatalytische Heizanforderungen erfüllt werden, ohne das Risiko zuviel oder zuwenig Wasserstoff durch das Ventil 46 der Kathoden-Leitung 34 fließen zu lassen.
3 ist ein Graph mit der Zeit auf der x-Achse und den kathodenkatalytischen Wasserstofffluss auf der y-Achse. 3 stellt eine Linie 100 dar, die einen Rampenplan für den Wasserstofffluss repräsentiert, was mit der Box 70 des Algorithmus 60, wie oben erörtert, korrespondiert. Die Linie 102 repräsentiert die früheren Verfahren zum Ausführen einer Anforderung nach kathodenkatalytischem Heizen. In der Vergangenheit wurde, wenn eine Anforderung auf ein katalytisches Heizen oder eine Anforderung eines offenen Ventils für das Ventil 46 empfangen wurde, die volle Menge an Wasserstoff, die nötig war, um die Anforderung zu erfüllen, bereitgestellt. Gemäß dem Algorithmus 60, der oben erörtert wurde, wird nun ein Teil des gewünschten Wasserstoffflusses bereitgestellt, und wenn die Menge des Wasserstoffs, die bereitgestellt wird, konstant ist, wie es der Bereich 104 zeigt, bestimmt der Algorithmus 60, ob die Ventildurchflussschätzung der Gleichung (1) in dem erwarteten Bereich liegt. In dem Beispiel der 3 liegt der Durchflussvergleich innerhalb des Bereichs und dem Fluss des Wasserstoffs wird ermöglicht, zu dem gezielten Fluss der Anforderung, der in der Box 70 des Algorithmus 60 eingestellt wird, anzusteigen.
4 ist auch ein Graph mit der Zeit auf der x-Achse und einer kathodenkatalytischen Heizflussanforderung auf der y-Achse, wobei ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 3 bezeichnet sind. In dem Beispiel von 4 liegt die Ventildurchflussschätzung nicht in dem erwarteten Bereich und somit wird die Flussanforderung für Wasserstoff durch das Ventil 46 herunter justiert, wie es durch die Linie 102 gezeigt wird, und der Rampenplan, der in der Box 70 des Algorithmus 60 bestimmt wird, wird ebenfalls herunter justiert, wie durch einen Vergleich der Linie 100 der 3 und 4 beobachtet werden kann. Es ist anzumerken, dass, wenn der Fehler der Ventildurchflussschätzung gravierend genug ist, die Anforderung für Wasserstofffluss auf Null angepasst werden kann. Durch Anpassen des Wasserstofffluss-Einstellpunktes, um den erfassten Fehler zu kompensieren, kann die gewünschte Wärmemenge jedoch ohne einen exzessiven Fluss von Wasserstoff zu der Kathoden-Leitung 34 erreicht werden.
Wie oben erörtert, bestimmt der Algorithmus 60, der oben beschrieben ist, nicht, welcher der Sensoren 22 oder 24 ungenau ist. Um zu bestimmen, welcher Sensor falsch anzeigt, kann eine getrennte Diagnose verwendet werden. Zum Beispiel kann die getrennte Diagnose eine aktive Anweisung an ein Abgas-Rückschlagventil sein zum Öffnen und Vergleichen des kathodenseitigen Drucksensors 24 mit dem Umgebungsdruck, der gemessen oder angenommen werden kann. Wenn der Sensor 24 innerhalb des erwarteten Bereichs misst, kann angenommen werden, dass der anodenseitige Drucksensor 22 inkorrekt anzeigt.

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Anforderung für einen Wasserstofffluss von einem Anoden-Subsystem zu einem Kathoden-Subsystem eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst: - Empfangen einer Anforderung für einen Wasserstofffluss von dem Anoden-Subsystem zu dem Kathoden-Subsystem; - Bereitstellen einer vorbestimmten Menge des angeforderten Wasserstoffflusses, wobei die vorbestimmte Menge geringer als die angeforderte Menge des Wasserstoffflusses ist; - Bestimmen eines Schätzwertes des Injektordurchflusses für den Wasserstoff, der durch einen Injektor zu dem Anoden-Subsystem fließt; - Bestimmen eines Schätzwertes des Ventildurchflusses für den Wasserstoff, der durch ein Ventil in eine Leitung fließt, die das Anoden-Subsystem mit dem Kathoden-Subsystem verbindet; - Berechnen eines Fehlers, der eine Differenz zwischen des Schätzwertes des Injektordurchflussses und des Schätzwertes des Ventildurchflusses ist; und Vervollständigen der Anforderung für den Wasserstofffluss durch Bereitstellen der gesamten Menge an Wasserstoff, die angefordert worden ist, wenn der berechnete Fehler unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes ist und Anpassen der Anforderung für den Wasserstofffluss, wenn der berechnete Fehler oberhalb des vorbestimmten Schwellwertes liegt, wobei das Bestimmen eines Schätzwertes des Ventildurchflusses für den Wasserstoff, der durch das Ventil fließt, ein Messen des Druckes des Wasserstoffs in einer Leitung einschließt, die stromaufwärts des Ventils liegt, und ein Messen des Druckes des Wasserstoffs in einer Leitung, die stromabwärts des Ventils liegt, und wobei das Bestimmen eines Schätzwertes des Ventildurchflusses für den Wasserstoff, der durch das Ventil fließt, die Verwendung der Gleichung einschließt: ${\dot{n}}_{S u b S o n i c} = \frac{P_{A n i n} \cdot A_{v_{i v}}}{\sqrt{M W_{A n O u t}}} \sqrt{(\frac{2}{R (T_{c o o l i n})}) (\frac{k}{k - 1}) [{(\frac{P_{C a l n}}{A_{A n i n}})}^{2 / k} - {(\frac{P_{C a l n}}{P_{A n i n}})}^{k + 1 / k}]}$
wobei n_SubSonic eine molare Flussrate des Wasserstoffs für einen Fluss im Unterschallbereich ist, P_Anin ein Druck in einer Anoden-Schleife in kPa ist, nämlich die Anoden-Hochdruckseite, A_Vlv eine Querschnittsfläche des Ventils ist, MW_AnOut die molare Masse eines Anoden-Auslassgases ist, R die ideale Gaskonstante ist, T_coolIn eine Temperatur des Kühlmittels an dem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels ist, k ein Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten ist, P_CaIn ein Druck eines Kathoden-Einlasses, wie er durch einen Drucksensor in kPa gemessen wird, ist, der auch als ein niederseitiger Druck bekannt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines Schätzwertes des Injektordurchflusses für den Wasserstoff, der durch den Injektor fließt, das Verwenden der Gleichung einschließt: ${\dot{n}}_{I n j S o n i c} = \frac{P_{A n l n S p l y} \cdot A_{I n j} \cdot k_{I n j A d p t F x}}{\sqrt{M W_{F u e l}}} \sqrt{(\frac{k}{R \cdot (T_{S p l y})}) {(\frac{2}{k + 1})}^{\frac{k + 1}{k - 1}}}$
wobei n_InjSonic eine molare Flussrate des Wasserstoffs durch den Injektor für eine Strömung im Unterschallbereich ist, P_AnInSply ein Druck der Anoden-Eingangs-Leitung stromaufwärts des Injektors, A_Inj eine Querschnittsfläche des Injektors ist, k_InjAdptFx ein Adaptionsfaktor, um eine Variation von Teil zu Teil und andere Unbekannte des Injektors zu berücksichtigen, ist, MW_fuel die molare Masse des Wasserstoffbrennstoffs ist, k das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten ist, R die ideale Gaskonstante ist, T_Sply eine Temperatur des Wasserstoffs in der Eingangsleitung stromabwärts des Injektors ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Anpassen der Anforderung für einen Wasserstofffluss, wenn der berechnete Fehler oberhalb des vorbestimmten Schwellwertes liegt, ein Steuern des Druckes des Anoden-Subsystems einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ventil Wasserstoff von dem Anoden-Subsystem für das Kathoden-Subsystem bereitstellt, um somit ein kathodenkatalytisches Heizen eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen.