DE102013110593A1

DE102013110593A1 - Fahrzeuganwendung für eine Luftspeicherkathodenkohlenstoffverlustabschätzung

Info

Publication number: DE102013110593A1
Application number: DE201310110593
Authority: DE
Inventors: Andrew J. Maslyn; Paul Taichiang Yu; Rohit Makharia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2014-05-28
Also published as: CN103840183A; US9099701B2; US20140147759A1; CN103840183B

Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Schätzen eines Betrags an Kohlenstoffträgerverlust in Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug, beispielsweise während das Fahrzeug abgeschaltet ist. Das System und das Verfahren beinhalten das Schätzen eines Zeitbetrags, bei dem eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist, und das Berechnen eines Kohlenstoffverlustbetrags ausgehend von dem Zeitbetrag, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemeinen auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen des Kohlenstoffverlustes in einer Kathode in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen des Kohlenstoffverlustes in einer Kathode aufgrund einer Luftspeicherung in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems und das Einstellen von Brennstoffzellensystembetriebsstrategien, um den Kohlenstoffverlust in der Kathode zu kompensieren.
2. Diskussion des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in dem Anodenkatalysator dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in dem Kathodenkatalysator und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen aus der Anode können nicht in den Elektrolyten gelangen und demzufolge werden diese über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gesendet werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC beinhalten eine feste Polymerelektrolytmembran, die Protonen leitet, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise aber nicht immer einen hochaktiven Katalysator wie z. B. Platin (Pt), welcher auf Kohlenstoffteilchen gelagert und mit einem Ionomer vermischt ist. Die Katalysatormischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran angeordnet. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Membranelektrodenanordnungen sind relativ aufwändig herzustellen und erfordern gewisse Bedingungen für ihren effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Kraftfahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen enthalten. 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.
Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die zwischen die mehreren MEAs in dem Stapel angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Kathodengasflusskanäle sind auf der Kathodenseite der Bipolarplatten 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.
Die Membran innerhalb einer Brennstoffzelle muss genügend Wassergehalt aufweisen, so dass der ionische Widerstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Membranbefeuchtung kann von einem Wasserabfallprodukt für den Stapel oder einer externen Befeuchtung kommen. Der Fluss von Reaktanten durch die Flusskanäle des Stapels hat einen für die Zellmembranen austrocknenden Effekt, der sich an einem Einlass des Reaktantenflusses am meisten bemerkbar macht. Die Akkumulation von Wassertröpfchen innerhalb der Flusskanäle kann allerdings Reaktanten am Durchfließen dieser Flusskanäle hindern und dazu führen, dass eine Zelle wegen einem zu niedrigem Reaktantengasfluss ausfällt, wobei die Stapelstabilität beeinträchtigt wird. Die Akkumulation von Wasser in den Reaktantengasflusskanälen und innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist besonders fehlerträchtig bei niedrigen Stapelausgangslasten.
Wie oben erwähnt, wird Wasser als ein Abfallprodukt beim Stapelbetrieb erzeugt. Das Kathodenabgas aus dem Stapel wird demzufolge typischerweise eine signifikante Menge an Wasserdampf und flüssigem Wasser aufweisen. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) zu verwenden, um einiges an Wasserdampf im Kathodenabgas aufzufangen und den Wasserdampf dazu zu benutzen, den Kathodeneingangsluftfluss zu befeuchten. Wasser im Kathodenabgas auf der einen Seite der Wassertransferelemente innerhalb der WVT-Einheit, wie beispielsweise den Membranen, wird von den Wassertransferelementen absorbiert und an den Kathodenluftstrom auf der anderen Seite der Wassertransferelemente transferiert.
Es gibt eine Anzahl von Mechanismen, die während dem Betrieb eines Brennstoffzellensystems auftreten können, die einen permanenten Verlust an Stapelspannung und Leistungsfähigkeit bewirken können, beispielsweise den Verlust an Katalysatoraktivität und die Korrosion des Trägers des Kathodenkohlenstoffs. Der Einfluss der Kompression am Träger des Kathodenkohlenstoffs auf die Stapelleistungsfähigkeit ist nicht linear und kann durch die Speicherung von Luft in einem Brennstoffzellenstapel während dessen Aus-Zeiten auf einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) bewirkt werden. Die Korrosion des Trägers des Kathodenkohlenstoffs ist irreversibel und kann, sofern man sich damit nicht befasst, für die Brennstoffzelle lebensdauerbegrenzend sein. Die US Patentanmeldung Seriennummer 13/094,300, mit dem Titel ”Fahrzeugalgorithmus für die Quantifizierung der Brennstoffzellenstapelgesundheit”, angemeldet am 26. April 2011, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Gesundheit der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, welches das Bestimmen einer verbleibenden Katalysatoroberflächenfläche und einer Katalysatorträgerfläche des Katalysatorschichten der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel beinhaltet, welche verwendet werden kann, um eine Stapelspannung zu schätzen. Es besteht allerdings im Stand der Technik ein Bedürfnis für eine Art und einen Weg, den Kohlenstoffverlust aufgrund einer Luftspeicherung bei Fahrzeugstandzeit zu schätzen, welche eine Minderung des Kohlenstoffverlusts oder den Einfluss des Kohlenstoffverlusts auf die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit erlaubt, sobald ein vorbestimmter geschätzter Kohlenstoffverlustschwellwert erreicht ist, so dass ein Brennstoffzellenausfall verzögert wird, wobei die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erhöht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung, werden ein System und ein Verfahren zum Schätzen eines Betrags an Verlust von Kohlenstoffträger in Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug offenbart. Das System und das Verfahren beinhalten das Schätzen eines Zeitbetrags, bei dem eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist und das Berechnen eines Betrags an Kohlenstoffverlust basierend auf dem Zeitbetrag, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schätzen eines Kathodenkohlenstoffverlusts in einem Brennstoffzellenstapel und Hilfsaktionen, die unternommen werden können, wenn ein vorbestimmter Schwellwert an Kathodenkohlenstoffverlust erzielt worden ist, zeigt; und
3 ist ein Graph, bei dem die Fahrzeuglaufzeit auf der horizontalen Achse und die Zellspannung auf der vertikalen Achse aufgetragen sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen eines Kohlenstoffverlustes in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Ein Kompressor 16 liefert einen Luftfluss an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 14 durch eine Wasserdampf-Transfereinheit 18 (WVT), die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Die WVT-Einheit 18 ist eine Art von anwendbaren Befeuchtungsgeräten, wobei andere Arten von Befeuchtungsgeräten zum Befeuchten der Kathodeneinlassluft anwendbar sein können, beispielsweise Enthalpie-Räder, Verdampfer etc. Ein Kathodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 20 durch ein Rückschlagventil 22 ausgelassen. Die Abgasleitungen 20 richtet das Kathodenabgas an die WVT-Einheit 18, um die Feuchtigkeit bereitzustellen, um die Kathodeneingangsluft zu befeuchten. Ein Steuergerät 26 steuert verschiedene Brennstoffzellenstapeloperationen, wozu verschiedene Steueralgorithmen und verschiedene Brennstoffzellensystemgeräte gehören, wie unten detaillierter beschrieben werden wird.
Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 empfängt Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffquelle 32 auf einer Anodeneingangsleitung 30 und liefert ein Anodenabgas auf der Leitung 34 durch ein Ventil 36, beispielsweise ein Entlüftungsventil, ein Spülventil etc. Eine Pumpe 38 pumpt eine Kühlflüssigkeit durch den Stapel 12 und eine Kühlschleife 40 außerhalb zu dem Stapel 12, um die Temperatur des Stapels 12 zu regeln. Die Temperatur des Stapels 12 wird auf die Steuerbetriebsparameter geregelt, beispielsweise die Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels.
2 ist ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren zum Betreiben eines Algorithmus zum Schätzen des Kohlenstoffträgerverlustes an der Kathode zeigt, welcher ein Modell zum Schätzen des Kathodenkohlenstoffträgerverlustes aufgrund einer Luftspeicherung in dem Brennstoffzellenstapel 12 während einer Abschaltzeit des Brennstoffzellensystems verwendet, wobei Algorithmus ferner die Kompressionsrate an dem Kathodenkohlenstoffträger mindert oder die Leistungsfähigkeit Verlust des Brennstoffzellenstapels aufgrund des Verlustes an Kathodenkohlenstoffträger mindert, sobald ein vorbestimmter geschätzter Kohlenstoffträgerverlustgrenzwert erreicht ist, was unten detailliert beschrieben werden wird. Der Algorithmus, der Teil des Steuergeräts 26 ist, beginnt in der Entscheidungsraute 52 durch Bestimmen, ob ein Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet, sich im abgeschalteten Zustand befindet. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass das Fahrzeug sich in einem abgeschalteten Zustand befindet, verwendet der Algorithmus ein Gaskonzentrationsmodell, um die Wasserstoffkonzentrationen des Brennstoffzellenstapels 12 im Kasten 54 zu berechnen. Ein Beispiel für ein Wasserstoffkonzentrationsmodell, das hier verwendet werden kann, ist in der US Patentanmeldung Seriennummer 12/721,416 mit dem Titel ”Online-Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoff konzentrationsschätzung in Brennstoffzellensystemen beim Herunterfahren und beim Herauffahren”, angemeldet am 10. März, 2010, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert.
Sobald die Wasserstoffkonzentration des Brennstoffzellenstapels 12 im Kasten 54 berechnet worden ist, bestimmt der Algorithmus, ob die Wasserstoffkonzentration des Brennstoffzellenstapels 12 gleich Null ist in der Entscheidungsraute 56. Wenn dies der Fall ist, inkrementiert der Algorithmus eine Ereigniszeit im Kasten 58. Der Algorithmus beginnt damit, die Ereigniszeit zu inkrementieren, wenn die Wasserstoffkonzentration gleich Null ist, da angenommen wird, dass der Brennstoffzellenstapel 12 sich in einer Luftumgebung oder in einer luftreichen Umgebung befindet, bevor der Kohlenstoffverlust anfängt, aufzutreten. Wenn die Wasserstoffkonzentration des Brennstoffzellenstapels 12 nicht gleich Null ist in der Entscheidungsraute 56, kehrt der Algorithmus zurück zum Kasten 54, um die Wasserstoffkonzentration des Brennstoffzellenstapels 12 unter Verwendung des oben erwähnten Gaskonzentrationsmodells zu berechnen.
Sobald der Algorithmus die Ereigniszeit im Kasten 58 inkrementiert, bestimmt der Algorithmus, ob eine Anschaltanfrage in der Entscheidungsraute 60 aufgetreten ist. Wenn eine Anschaltanfrage nicht aufgetreten ist, kehrt der Algorithmus zum Kasten 58 zurück und fährt damit fort, die Ereigniszeit zu inkrementieren. Wenn eine Anschaltanfrage in der Entscheidungsraute 60 aufgetreten ist, bestimmt der Algorithmus einen vollständigen Kohlenstoffverlust im Luftspeicher durch Addieren eines vorherigen Kohlenstoffverlustes im Luftspeicher auf das Ereignis des Kohlenstoffverlusts. Der auftretende Kohlenstoffverlust wird unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt:
wobei
M_C = 12.0107 g_Carbon/mol_Carbon, F = 96485 C/mol e^–, R = 8.314 J/mol·K, t die Abschaltdauer (nachdem bestimmt worden ist, dass die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist), T die mittlere Temperatur der Abschaltdauer ist, η die Überspannungskorrigierte Temperatur ist und io, Eα, α, m materialabhängige empirische angepasste Parameter sind, die von (1) verwendeten Materialien für den Kohlenstoffträger in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 abhängen, (2) die Katalysatoroberflächenfläche und (3) die Katalysatorbeladung sind. Regressionsmodelle werden verwendet, um diese materialabhängigen empirischen Fit-Parameter zu finden.
Unter Verwendung der Gleichung (1) oben bestimmt der Algorithmus das Kohlenstoffverlustereignis und addiert das Kohlenstoffverlustereignis auf einen Kohlenstoffverlust für einen Luftspeicher, wobei das Kohlenstoffverlustereignis von einem oder mehreren vorausgegangenen Abseitszuständen, während welchen die Wasserstoffkonzentration des Brennstoffzellenstapels 12 Null war, addiert wird. Wenn es keine vorhergehenden Fahrzeugabschaltzustände gegeben hat, während welchen die Wasserstoffkonzentration des Brennstoffzellenstapels 12 Null war, wird der Kohlenstoffverlustwert des Luftspeichers auf Null gesetzt. Zu jeder Zeit wird ein Kohlenstoffverlustereignis berechnet, dieses wird auf den Kohlenstoffverlustwert des Luftspeichers aufaddiert, so dass der kumulative Kohlenstoffverlust aufgrund des Luftspeichers mit der Zeit durch den Algorithmus verfolgt wird, genauso wie jedes individuelle Kohlenstoffverlustereignis. Auf diese Art sagt der Algorithmus den Kohlenstoffverlust als eine Funktion der Abschaltzeit des Fahrzeugs voraus, wie hier unten diskutiert werden wird.
Sobald der vollständige Kohlenstoffverlust des Luftspeichers im Kasten 62 bestimmt ist, kehrt der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 52 zurück, um zu bestimmen, ob sich das Fahrzeug in einem abgeschalteten Zustand befindet. Wenn dies der Fall ist, fährt der Algorithmus fort, das Kohlenstoffverlustereignis, wie oben detailliert diskutiert wurde, zu bestimmen. Wenn das Fahrzeug sich nicht in einem ausgestalteten Zustand in der Entscheidungsraute 52 befindet, bestimmt der Algorithmus, ob der vollständige Kohlenstoffverlust im Luftspeicher größer als ein vorbestimmter Kohlenstoffverlustgrenzschwellenwert in der Entscheidungsraute 64 ist. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt der Algorithmus zur Entscheidungsraute 52 zurück, um zu bestimmen, ob sich das Fahrzeug im ausgeschalteten Zustand befindet. Wenn der vollständige Kohlenstoffverlust im Luftspeicher größer als ein vorbestimmter Kohlenstoffverlustgrenzwert in der Entscheidungsraute 64 ist, signalisiert der Algorithmus an das Steuergerät 26, eine oder mehrere Hilfsaktionen im Kasten 66 einzuschalten. Hilfsaktionen beinhalten das Befähigen des Brennstoffzellensystems 10, unter trockenen Betriebsbedingungen betrieben zu werden, indem die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 gewechselt wird. Andere Hilfsaktionen, welche in Betracht gezogen werden können, beinhalten das Reduzieren des Kohlenstoffverlusts durch andere Mechanismen. Beispielsweise können Hilfsaktionen so zum Beispiel das Ausführen von Spannungswiedererlangungstechniken mit Vermeidungsstrategien verwendet werden, wie beschrieben in der US Patentanmeldung Seriennummer 13/155,047 mit dem Titel ”Smarte reaktive Wiedererlangungsstrategie auf Fahrzeugen”, angemeldet am 7. Juni 2011, angemeldet auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert. Zusätzliche Hilfsaktionen beinhalten Verfahren für die Wasserstoffzufügung nach der Abschaltung, wie sie in der US Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/636,318 mit dem Titel ”Brennstoffzellenbetriebsverfahren für Wasserstoffzufuhr nach Abschaltung”, angemeldet am 11. Dezember 2009, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert offenbart sind, und das Rekonditionieren des Brennstoffzellenstapels, wie es in der US Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/580,912 mit dem Titel ”Automatisiertes Verfahren zum Ausführen eines In-Situ Brennstoffzellenstapelrekonditionierens”, angemeldet am 16. Oktober 2009, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart sind. Sobald Hilfsaktionen im Kasten 66 unternommen werden, kehrt der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 52 zurück, um zu bestimmen, ob das Fahrzeug sich in einem ausgeschalteten Zustand befindet.
3 ist ein Graph, bei dem die Fahrzeuglaufzeit auf der horizontalen Achse und die Zellspannung auf der vertikalen Achse aufgetragen sind. ein normaler Brennstoffzellenbetrieb ist durch die Linie 70 veranschaulicht und ein Brennstoffzellensystembetrieb, der codiert ist, ist mit der Linie 72 veranschaulicht. Ein korrigierter Brennstoffzellensystembetrieb ist ein Brennstoffzellensystem, welches betrieben wird, wobei eine Korrosion des Kohlenstoffträgers vorliegt. Wie in der 3 gezeigt ist, arbeiten beide Brennstoffzellensysteme am Anfang auf die gleiche Art und Weise. Im Punkt 74 ist die Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 12 abgefallen und ein Verfahren zur Wiedererlangung der Fahrzeugspannung wird ausgeführt. Ein typischer Prozess zur Wiedererlangung der Fahrzeugspannung ist es, den Brennstoffzellenstapel 12 unter nassen Bedingungen zu betreiben, d. h. den Brennstoffzellenstapel 12 zu Rekonditionieren. In dem normalen Brennstoffzellensystem, das mit der Linie 70 gezeigt ist, bewirkt die nasse Operation, dass sich die Zellspannung des Stapels 12 erholt, was durch ein Ansteigen in der Linie 70 nach dem Punkt 74 gezeigt ist. Bei dem korrodierten Brennstoffzellensystem, das mit der Linie 20 gezeigt ist, erholt sich die Spannung nicht und anstelle dessen fährt die Spannung damit fort, nachdem der Spannungswiedererlangungsprozess ausgeführt wurde, abzusenken, was mit der Absenkung in der Linie 72 nach dem Punkt 74 gezeigt wird. Im Punkt 76 wird ein Fleck gesetzt und das Steuergerät 26 kombiniert das Abfallen in der Zellspannung mit dem vollständigen Kohlenstoffverlust im Luftspeicher, um zu bestimmen, ob das Betreiben in dem Brennstoffzellensystem unter trockener Betriebsbedingungen als sie typischerweise verwendet werden, notwendig ist, um den Kohlenstoffverlust, der aufgetreten ist, zu kompensieren. Wie in der 3 gezeigt ist, beginnt die Zellspannung an zu wachsen, wenn das Brennstoffzellensystem damit beginnt, unter trockenen Bedingungen, als diese typisch wären, zu arbeiten, was anzeigt, dass ein Kohlenstoffverlust aufgetreten ist.
Wie mit der Linie 72 gezeigt wird, steigt die Zellspannung des korrodierten Brennstoffzellensystems an, nachdem das Brennstoffzellensystem damit beginnt, unter trockenen Bedingungen in dem Punkt 76 zu arbeiten. Da die Zellspannung angewachsen ist, kann das korrodierte Brennstoffzellensystem unter trockenen Bedingungen für den Rest der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 betrieben werden. Alternativ dazu kann das korrodierte Brennstoffzellensystem unter trockenen Bedingungen für eine Zeitdauer betrieben werden und dann in normale Betriebsbedingungen wieder überführt werden. Wenn eine Zellspannung des korrodierten Brennstoffzellensystems unter einen vorbestimmten Schwellenwert fällt, nachdem es zu den normalen Betriebsbedingungen zurückgekehrt ist, kann das System temporär oder für den Rest der Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu einer trockeneren Betriebsbedingung zurückkehren.
Unter Verwendung des oben diskutierten Algorithmus wird ein Mechanismus bereitgestellt, der eine Abschätzung des Kohlenstoffverlusts im Luftspeicher verwendet, um eine Fahrzeugbetriebsstrategie dynamisch zu adjustieren, um einen katastrophalen Kathodenkohlenstoffverlust zu vermeiden oder zu kompensieren. Demzufolge unterstützt diese bisher unbekannte Information jegliche Betriebsstrategie für die Optimierung der Lebensdauer. Die oben diskutierten Hilfsaktionen sind Beispiele für Fahrzeugoptimierungsstrategien, die in Betracht gezogen werden können, andere Hilfsstrategien, die die Betriebslebensdauer optimieren, können ebenfalls verwendet werden. Das Vermeiden oder Kompensieren des Kohlenstoffverlusts wird dazu verwendet, die Fahrzeuglebensdauer bei denjenigen Fahrzeugen zu verlängern, die einen großen Betrag an Luftspeicherereignissen und/oder Lebensdauerereignissen erfahren, was einer großen Vielfalt von möglichen Kunden widerfährt. Der oben diskutierte Algorithmus liefert eine größere Sichtbarkeit dafür, wie schwer der Kohlenstoffverlust ist und gestattet es für das Brennstoffzellensystem 10 diesen zu kompensieren, sobald und falls dies notwendig sein sollte.
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 vom 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.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus dieser Diskussion und aus den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Schutzbereich der Erfindung, wie er von den folgenden Patentansprüchen definiert wird, zu verlassen.

Claims

Ein Verfahren zum Schätzen eines Betrags an Kohlenstoffträgerverlust in Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren umfasst: – Schätzen eines Zeitbetrags, bei dem eine Wasserstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel gleich Null ist; und – Berechnen eines Betrags an Kohlenstoffverlust basierend auf dem Zeitbetrag, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen eines Zeitbetrags, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel gleich Null ist, auftritt, sobald sich das Fahrzeug in einem abgeschalteten Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen eines Zeitbetrags, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel gleich Null ist, das Verwenden eines Gaskonzentrationsmodells beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zeitbetrag, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel gleich Null ist, damit endet, wenn eine Fahrzeuganschaltanfrage auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen des Betrags an Kohlenstoffverlust basierend auf dem Zeitbetrag, bei dem die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzellenstapel die Gleichung verwendet:
wobei
M_C = 12.0107 g_Carbon/mol_Carbon, F = 96485 C/mol e^–, R = 8.314 J/mol·K, t die Abschaltdauer (nachdem bestimmt worden ist, dass die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist), T die mittlere Temperatur der Abschaltdauer ist, η die Überspannungskorrigierte Temperatur ist und io, E_α, α, m materialabhängige empirische angepasste Parameter sind, die von (1) verwendeten Materialien für den Kohlenstoffträger in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 abhängen, (2) die Katalysatoroberflächenfläche und (3) die Katalysatorbeladung sind. Regressionsmodelle werden verwendet, um diese materialabhängigen empirischen Fit-Parameter zu finden.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Hinzufügen des Betrags an Kohlenstoffverlust, der jedes Mal auftritt, wenn sich das Fahrzeug in einem abgeschalteten Zustand befindet, und der Wasserstoff und die Wasserstoffkonzentration Null ist, um eine vollständige Abschätzung des Kathodenkohlenstoffverlusts zu geben.
Verfahren nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend das Unternehmen von Hilfsaktionen, wenn die Abschätzung für den vollständigen Kohlenstoffverlust größer als ein vorbestimmter Kohlenstoffverlustgrenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Hilfsaktionen die Spannungswiedererlangung mit Vermeidungsstrategien, Wasserstoffzufügung nach Abschaltung und Rekonditionieren des Brennstoffzellenstapels beinhalten.
Ein Steuersystem zum Schätzen eines Betrags an Kohlenstoffträgerverlusten in Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug, wobei das System umfasst: – Mittel zum Bestimmen, dass das Fahrzeug sich in einem abgeschalteten Zustand befindet; – Mittel zum Schätzen eines Zeitbetrags, bei dem eine Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist, wenn sich das Fahrzeug in einem abgeschalteten Zustand befindet; – Mittel zum Berechnen eines Kohlenstoffverlustereignisses basierend auf dem Zeitbetrag, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel Null ist; – Mittel zum Addieren des Kohlenstoffverlustereignisses auf einen Luftspeicherkohlenstoffverlustwert, um einen vollständigen Luftspeicherkohlenstoffverlust zu bestimmen; und – Mittel zum Unternehmen einer oder mehrerer Hilfsaktionen, wenn der Betrag an dem vollständigen Luftspeicherkohlenstoffverlust größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Das Steuersystem nach Anspruch 9, wobei die Mittel zum Bestimmen eines Zeitbetrags, bei dem die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel gleich Null ist, das Verwenden eines Gaskonzentrationsmodells umfasst.