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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 Bestimmen, ob ein Injektor, der Wasserstoffgas in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert, korrekt arbeitet und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Injektor, der Wasserstoffgas in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert, korrekt arbeitet, mittels Spektralanalyse einer Spannungskennlinie des Stapels.
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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. Die Automobilindustrie wendet signifikante Ressourcen für die Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellensystemen als Antriebsquelle für Fahrzeuge auf. Solche Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungskraftmaschinen verwenden. Es wird erwartet, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in naher Zukunft auf dem Automobilmarkt rapid an Popularität gewinnen werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste protonenleitende Polymerelektrolytmembran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise, aber nicht immer, 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 Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. 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.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen die mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflussfelder sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflussfelder vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten 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 Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Die Membranen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels müssen einen genügenden Wassergehalt aufweisen, so dass der Ionenwiderstand über die Membranen niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Membranbefeuchtung kann von dem Stapelwasserabfallprodukt oder einer externen Befeuchtung kommen. Der Fluss an Reaktanten durch die Flusskanäle des Stapels hat einen austrocknenden Effekt auf die Zellenmembranen, der sich am meisten am Einlass des Reaktantenflusses bemerkbar macht. Die Akkumulation von Wassertröpfchen innerhalb der Flusskanäle könnte Reaktanten am Durchfließen hindern und könnte Zellen aufgrund eines niedrigen Reaktantenflusses zum Ausfall bringen und demzufolge die Stapelstabilität beeinträchtigen. Die Akkumulation von Wasser in den Reaktantengasflusskanälen und innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist insbesondere bei niedrigen Stapelausgangslasten fehlerträchtig.
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Ein Verfahren zum Bestimmen der Membranfeuchtigkeit aus dem Stand der Technik verwendet Hochfrequenz-Widerstands-Befeuchtungsmessungen (HFR). HFR-Befeuchtungsmessungen werden durch das Bereitstellen einer Hochfrequenzkomponente oder eines Wechselspannungssignals auf der elektrischen Last des Stapels erzeugt, so dass eine Hochfrequenzwelligkeit auf dem Ausgangsstrom des Stapels produziert wird. Der Hochfrequenzwiderstand ist eine gut bekannte Eigenschaft der Brennstoffzellen und steht in enger Beziehung mit dem Ohm'schen Widerstand oder dem Membranprotonenwiderstand der Brennstoffzellenmembranen. Der Ohm'sche Widerstand selber ist eine Funktion des Grades der Brennstoffzellenmembranfeuchtigkeit. Demzufolge kann der Grad an Feuchtigkeit der Brennstoffzellenmembranen bestimmt werden, indem der HFR der Brennstoffzellenmembranen eines Brennstoffzellenstapels innerhalb eines spezifischen Erregerstromfrequenzbandes gemessen wird.
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Typischerweise wird Wasserstoffgas für ein Brennstoffzellensystem unter hohem Druck in einem Tanksystem gespeichert, das einen oder mehrere miteinander verbundene Druckkessel auf dem Fahrzeug bereitstellt, um das Wasserstoffgas, das notwendig ist, für den Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Das Wasserstoffgasspeichersystem beinhaltet typischerweise zumindest einen Druckregler als einen Teil von vielen und unterschiedlichen Ventilen, Leitungen und Passungen, die für den Betrieb des Wasserstoffspeichersystems notwendig sind, wobei der Druckregler den Druck des Wasserstoffgases von dem hohen Druck in den Kesseln auf einen konstanten Druck reduziert, der für den Brennstoffzellenstapel geeignet ist.
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In einer bekannten Art von Brennstoffzellensystem wird Wasserstoffgas in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels mit einem Injektor injiziert. Der Injektor wird gesteuert, um einen Solldruck innerhalb des Anodensubsystems durch Steuern des Injektorflusses aufrechtzuerhalten, um den Wasserstoff, der verbraucht wird, einzustellen. Typischerweise wird dies über ein Pulsweitenmodulations(PWM)-Steuersignal erzielt, wobei ein Tastverhältnis und eine Frequenz definiert werden und ein Regler ein Steuersignal für den Sollpuls erzeugt. Der Druckregler kann den Druck des Wasserstoffgases von einem Tankdruck von bis zu 8,75 MPa hinunter auf ungefähr 800 kPa regeln, um einen konstanten Versorgungsdruck an den Injektor zu gewährleisten. Der Injektor liefert dann einen gepulsten Fluss, um den Stapelanodendruck in einen Bereich zwischen 100 bis 300 kpa zu regeln. Durch das Aufrechterhalten des Anodendrucks wird der Wasserstofffluss, der benötigt wird, um das Brennstoffzellensystem mit Energie zu versorgen, gewährleistet. Es ist wichtig anzumerken, dass sowohl der Regler als auch der Injektor benötigt werden, um eine genaue Druckregelung über den gesamten Bereich an Leistungstransienten für den Fahrzeugbetrieb zu gewährleisten. Die Injektor-Frequenz und -Pulsweite werden über eine Rückkopplung von einem Anodendrucksensor geregelt. Darüber hinaus kann ein Hochgeschwindigkeitsfluss zu einem Ejektor bereitgestellt werden, welcher den Gasfluss von dem Stapelauslass an den Stapeleinlass zurückführt, wenn der Injektor offen ist. Dieser gepulste Betrieb in Verbindung mit dem zurückgeführten Fluss ist notwendig, um einen dauerhaften und stabilen Systembetrieb zu gewährleisten.
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Während der Lebensdauer eines Fahrzeuges wird der Injektor Hunderte von Millionen Betriebszyklen unterworfen. Aufgrund des hohen Drucks des Wasserstoffgases, das an den Injektor geliefert wird, als auch der hohen Temperaturen, die mit dem Brennstoffzellenstapelbetrieb einhergehen und der inneren Reibung im Injektor ist es für einen Wasserstoffbrennstoffinjektor relativ gewöhnlich, periodische Ausfälle zu haben. Wenn der Injektor ausfällt und nicht den gewünschten Betrag an Wasserstoff an den Stapel liefert, kann eine Anodenverarmung auftreten, welche zu einem dauerhaften Schaden an den Zellelektroden führen kann. Darüber hinaus wird der Anodeninjektorpulsverlauf moduliert, um sowohl den Stickstoffals auch den Wasserhaushalt in der Anode zu managen, was wiederum eine Anodenverarmung bewirken kann.
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Die oben beschriebene Technik zum Überwachen, ob der Injektor korrekt arbeitet, unter Verwendung einer Druckrückkopplung von dem Anodensubsystem ist im Allgemeinen akzeptabel. Der Drucksensor kann jedoch ausfallen und/oder nicht korrekt arbeiten, was dazu führt, dass sich ein Ausfall des Injektors nicht in den Druckwerten niederschlägt. In die Systemalgorithmen sind Modelle inkorporiert, um das System in Reaktion auf einen Anodendrucksensorfehler für die Operationen zu betreiben, die den Druckwert benötigen. Diese Modelle sind jedoch nicht verfügbar, um zu bestimmen, ob der Injektor ausgefallen ist, wenn der Anodendrucksensor ebenfalls eine Fehlfunktion aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Anodeninjektor, der Wasserstoffgas in eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert, ausgefallen ist, offenbart. Das Verfahren umfasst das Überwachen einer Spannung des Brennstoffzellenstapels und das Ausführen einer Spektralanalyse der Stapelspannung, um Amplitudenpeaks in der Stapelspannung zu identifizieren. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen, ob die Spektralanalyse der Stapelspannung einen Amplitudenpeak an einem Ort identifiziert hat, wobei ein Amplitudenpeak auftreten sollte, wenn der Injektor korrekt arbeitet. Wenn kein Amplitudenpeak an diesem Ort identifiziert wird, dann bestimmt das Verfahren, dass der Injektor nicht korrekt arbeitet. Wenn ein Amplitudenpeak an diesem Ort identifiziert wird, dann vergleicht das Verfahren den Amplitudenpeak mit dem Sollamplitudenpeak, um zu identifizieren, ob dieser innerhalb eines Schwellwerts liegt, um zu bestimmen, ob der Injektor korrekt arbeitet.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Spannung auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, der eine Spannungskennlinie relativ zu einem Injektorpuls zeigt;
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3 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und der Strom auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, der ein HFR-Erregungssignal zeigt, das an einen Brennstoffzellenstapel geliefert wird;
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4 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Amplitude auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, welcher eine FFT-Spektralanalyse der Spannung auf dem Stapel zeigt;
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5 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Amplitude auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, der die FFT-Spektralanalyse, die zu Injektorpulsen gehört, zeigt; und
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6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Anodeninjektor korrekt arbeitet, basierend auf der Spektralanalyse der Stapelspannung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 ist ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems
10 mit einem Brennstoffzellenstapel
12. Das Brennstoffzellensystem
10 umfasst ferner einen Kompressor
14, der Luft an eine Kathodeneinlassleitung
16 auf eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 liefert, wobei ein Kathodenabgas von dem Stapel
12 auf einer Kathodenabgasleitung
18 ausgelassen wird. Das Brennstoffzellensystem
10 umfasst ferner eine Quelle
20 von Wasserstoffgas, typischerweise einen Hochdrucktank, der das Wasserstoffgas an einen Injektor
22 liefert, der einen geregelten Betrag an Wasserstoffgas auf einer Anodeneingangsleitung
24 auf die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 injiziert. Obwohl nicht spezifisch gezeigt, ist es für Fachleute leicht erkennbar, dass verschiedene Druckregler, Regelventile, Absperrventile etc. bereitgestellt werden würden, um das Hochdruckgas von der Quelle
20 mit einem Druck zu liefern, der für den Injektor
20 an sich geeignet ist. Der Injektor
22 kann jeder geeignete Injektor für die hier diskutierten Zwecke sein. Ein geeignetes Beispiel ist ein Injektor/Ejektor, wie in der
US 7 320 840 B2 mit dem Titel ”Kombination eines Injektor-Ejektor für Brennstoffzellensysteme” beschrieben, erteilt am 22. Januar 2008, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert.
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Ein Anodenabgas wird von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels auf einer Anodenauslassleitung 26, die mit einem Entlüftungsventil 28 ausgestattet ist, ausgelassen. Wie von Fachleuten gut verstanden ist, verdünnt ein Stickstoff-Cross-Over von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 den Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 12, wodurch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt wird. Demzufolge ist es notwendig, das Anodenabgas aus dem Anodensubsystem periodisch zu entlüften, um den Betrag an Stickstoff in dem Anodensubsystem zu reduzieren. Wenn das System 10 in einem normalen Nichtentlüftungsbetrieb arbeitet, ist das Ventil 28 in der Position, bei dem das Anodenabgas in eine Rezirkulationsleitung 30 geliefert wird, die das Anodengas zu dem Injektor 22 rezirkuliert, um diesen als einen Ejektor zu betreiben und rezirkulierten Wasserstoff zurück an den Anodeneinlass des Stapels 12 zu liefern. Wenn eine Entlüftung vorgenommen wird, um den Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 12 zu reduzieren, wird das Ventil 28 eingestellt, um das Anodenabgas durch eine Bypass-Leitung 32 zu führen, die das Anodenabgas mit dem Kathodenabgas auf der Leitung 18 mischt, wobei das Wasserstoffgas verdünnt wird und für die Umwelt verträglich ist.
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Ein Drucksensor 34 misst den Druck in der Anodenausgangsleitung 26, kann jedoch an jedem Ort innerhalb des Anodensubsystems angeordnet sein, um eine Druckmessung auf der Anodenseite vorzunehmen. Ein Regler 38 empfängt den Druckwert von dem Drucksensor 34 und bestimmt, ob der Drucksensor 34 korrekt arbeitet, konsistent mit der hier geführten Diskussion. Darüber hinaus führt der Regler 38 den Betrieb des Bestimmens, ob der Injektor 22 korrekt arbeitet, aus, was ebenfalls mit der hier geführten Diskussion konsistent ist. Obgleich das System 10 ein Anodenrezirkulationssystem ist, wird die vorliegende Erfindung eine Anwendung bei anderen Arten von Brennstoffzellensystemen haben, wozu Anodenflussumkehrsysteme gehören, welche Fachleuten gut bekannt sind.
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Wie unten im Detail diskutiert werden wird, schlägt die vorliegende Erfindung einen Algorithmus zum Bestimmen, ob der Injektor 22 korrekt arbeitet basierend darauf, wie sich die Stapelspannung in Reaktion auf den Anodensubsystemdruck, der von dem Injektor 22 beim Öffnen und beim Schließen verursacht wird, vor. Mit anderen Worten steigt der Druck innerhalb des Anodensubsystems an und fällt in Reaktion auf die Stellung des Injektors 22 ab, wenn der Injektor 22 sich in Reaktion auf sein Tastverhältnis-Steuersignal öffnet und schließt, wie oben diskutiert. In gegenwärtigen Brennstoffzellensystemen, wird diese Druckänderung mit einem Hochgeschwindigkeitsdrucksensor gemessen, nämlich dem Drucksensor 34 und diese Druckänderung kann dazu verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Injektor 22 wie gedacht arbeitet. Wenn der Drucksensor 34 eine Fehlfunktion aufweist oder ausfällt, kann das System 10 jedoch immer noch unter Verwendung verschiedener Druckmodelle arbeiten, aber es ist kein Weg zum Bestimmen, dass der Injektor 22 korrekt arbeitet, bekannt. Da die Stapelspannung sich in Reaktion auf diese Druckänderungen ändert, kann das Überwachen der Stapelspannung verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Injektor 22 korrekt arbeitet, wenn der Drucksensor 34 ausfällt.
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2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und die Spannung auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, der die Stapelspannung in Reaktion auf das Öffnen und Schließen des Injektors 22 bei einem bestimmten Injektor-Tastverhältnis zeigt. Wie oben erwähnt, verwenden einige bekannte Brennstoffzellensysteme ein Wechselspannungs-HFR-Erregungssignal aus dem Stapel 12, das dazu verwendet wird, um den Wassergehalt des Stapels zu bestimmen. 3 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und der Strom auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, das so ein HFR-Erregungssignal zeigt, das sich selbst als Rauschen auf dem Spannungssignal aus der 2 manifestiert.
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Die Beziehung zwischen Stapelspannung und Anodendruck kann wie folgt veranschaulicht werden. Der Anstieg der Stapelspannung aus der
2 ist ein Ergebnis eines Anwachsens in der Zellgleichgewichtsspannung, d. h. gemäß der Gleichung von Nernst:
wobei E die Zellenspannung, R die Gaskonstante, T die Stapeltemperatur, F die Faraday-Konstante, P
H2 der Druck innerhalb des Anodensubsystems, P
O2 der Sauerstoffpartialdruck innerhalb der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 und P
H2O der Wasserpartialdruck ist.
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Unter der Annahme, dass über das Spektralmessfenster beispielsweise 5/f
inj oder ungefähr 1 Sekunde, der Sauerstoffpartialdruck P
o2 und der Wasserpartialdruck P
H2o gleich sind, kann der Spannungsanstiegsdruck geschätzt werden. Gleichung (2) unten stellt einen vereinfachten Anstieg in der Spannung aufgrund des Wasserstoffdrucks nach einer Umwandlung des natürlichen Logarithmus in den Zehnerlogarithmus dar:
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Da der Algorithmus nur am Einfluss des Wasserstoffdrucks interessiert ist, kann sein Spannungseinfluss geschrieben werden wie folgt:
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Demzufolge kann die Frequenzkennlinie oder eine Spektralanalyse mit einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) dazu verwendet werden, um die tatsächliche Injektorfrequenz zu schätzen, und die Amplituden der FFT-Peaks können verwendet werden, um den Druckanstieg aufgrund der Injektion des Injektors 22 zu schätzen, was mit dem Tastverhältnis korreliert sein kann. Beispielsweise wäre der erwartete Spannungsanstieg 30 mV·log(1,4) oder ungefähr 2 mV pro Zelle oder ungefähr 0,5 V pro Stapel, wenn der Anodendruck 120 Kilopascal beträgt und der Anodendruck um 20 Kilopascal ansteigt.
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4 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Amplitude auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, der die FFT-Spektralanalyse des aus Spannungssignal und dem HFR-Erregungssignal zusammengesetzten Signals aus dem Graphen der 2 zeigt. Der größere Peak auf der weit linken Seite des Graphen ist die Frequenz, die die Änderung in der Stapelspannung in Reaktion auf die Änderung im Druck innerhalb des Anodensubsystems darstellt. Der nächstgrößere Peak ist die Frequenzantwort des HFR-Erregungssignals, das auf dem Spannungssignal überlagert ist. 5 ist ein Graph, bei dem die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Amplitude auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, der den niedrigeren Frequenzbereich des Graphen aus der 4 zeigt, wobei der größere Peak auf der linken Seite der Peak ist, der von dem Anstieg und dem Abfall der Stapelspannung verursacht wird, und die zwei Peaks auf der rechten Seite Harmonische dieses Signals sind.
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Es wird angemerkt, dass die tatsächlichen Werte für die Amplituden und Frequenzen, wie oben diskutiert, systemspezifisch sein würden und von einer Zahl von Faktoren abhängig wären, beispielsweise der Anzahl der Brennstoffzellen in dem Stapel 12, dem Volumen des Anodensubsystems etc.
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Basierend auf dieser Analyse kann ein Algorithmus entwickelt werden, der die FFT-Frequenzantwort der Stapelspannung betrachtet, um zu bestimmen, wo ein Peak auftritt und vergleicht den FFT-Spektralpeak bei dieser Frequenz mit dem Wert, den dieser haben sollte, wenn der Injektor 22 korrekt arbeitet. Wenn diese nicht innerhalb eines bestimmten Schwellenwerts miteinander übereinstimmen, kann das System 10 Diagnose für einen Injektorausfall implementieren. Eine solche Diagnose kann den Leistungsabgabewert des Stapels 12 begrenzen und in einigen Fällen das Abschalten des Stapels bedingen.
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6 ist ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Injektorausfalls in der oben diskutierten Art zeigt. Im Kasten 52 überwacht der Algorithmus die Stapelspannung und den Stapelstrom bei einer hohen Frequenz, beispielsweise zwischen 100–500 Hz. Der Algorithmus bestimmt in der Entscheidungsraute 54, ob das System 10 einen Drucksensorausfall detektiert hat, und wenn dies nicht der Fall ist, fährt der Algorithmus im Kasten 56 damit fort, die Druckmessungen zu verwenden, um einen Injektorausfall zu bestimmen. Wenn der Algorithmus in der Entscheidungsraute 54 bestimmt hat, dass der Drucksensor 34 ausgefallen ist, dann führt der Algorithmus im Kasten 58 eine Spektralanalyse der Stapelspannung und des Stapelstroms aus, um Amplitudenpeaks in der FFT-Antwort zu identifizieren.
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Der Algorithmus identifiziert im Kasten 60 diejenigen FFT-Amplitudenpeaks bei der bekannten Frequenz der Injektorpulse und bestimmt dann in der Entscheidungsraute 62, ob sich ein FFT-Peak an dem Ort befindet, bei dem ein Injektorzyklus einen Peak vorsehen sollte. Wenn in der Entscheidungsraute 62 an diesem Ort kein Peak detektiert wird, dann zeigt der Algorithmus im Kasten 64 an, dass der Injektor 22 in einer festsitzenden offenen oder geschlossenen Stellung sein kann, was eine frühzeitige Detektion eines Injektorausfalls gewährleistet, bevor die Stapelgleichspannung aufgrund einer Anodenverarmung zusammenbricht. Wenn in der Entscheidungsraute 62 ein FFT-Peak am richtigen Ort identifiziert wird, dann bestimmt der Algorithmus in der Entscheidungsraute 66, ob dieser Peak innerhalb eines gewissen Schwellenwerts liegt, der anzeigt, dass der Peak im Einklang mit einem normalen Injektorbetrieb sein sollte. Wenn der Algorithmus in der Entscheidungsraute 66 bestimmt, dass der detektierte FFT-Peak mit dem Soll-FFT-Peak übereinstimmt, dann zeigt der Algorithmus im Kasten 68 an, dass der Injektor 22 korrekt arbeitet. Wenn der FFT-Peak außerhalb des Sollschwellenwerts liegt, erlässt der Algorithmus jedoch im Kasten 70 eine Diagnose, um eine Operation auszuführen, um den Injektorbetrieb zu korrigieren, beispielsweise ein Modifizieren der Injektorsteuerpulse.
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Das Analysieren der FFT-Frequenzantwort bei der Injektorpulsfrequenz kann zusätzliche Vorteile haben. Wie oben erwähnt, wenn die Stapelspannung-FFT-Antwort mit der angesteuerten Injektorfrequenz übereinstimmt, aber die Fourier-Transformierte der Druckwerte, die der Anodendrucksensor 34 ausgibt, nicht, kann eine Fehlererkennungsdiagnose detektieren, dass der Drucksensor ausgefallen sein kann oder seine Kennlinie sich geändert haben kann, was eine Anzeige liefern könnte, dass man sich um den Drucksensor 34 kümmern sollte.
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Des Weiteren kann durch Transformieren der Stapelspannung auf eine Druckkennlinie der von einer Stapelspannung ausgehende geschätzte Druck dazu verwendet werden, um zu bestimmen, ob in dem Anodensubsystem ein Leck vorhanden ist. Diese Leckdetektion kann auf die Zellendimension ausgeweitet werden, da die Zellenspannung gemessen wird, welche ebenfalls mit einer Spektralanalyse untersucht werden kann. Dies ist von Vorteil, da auf dem Zellenlevel die Zellspannung die einzig verfügbaren Daten sind.
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Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
