DE102013112460A1 - Detektion einer Anodenlecklage - Google Patents

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Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Quantifizieren einer Anoden lecklage in einem Brennstoffzellensystem. Das System und das Verfahren beinhalten das Bestimmen, ob ein Leck in einem Anodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels vorliegt, und das Schätzen einer ersten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines ersten Leckwerts und erster Betriebsparameter. Das System und das Verfahren beinhalten darüber hinaus das Erhöhen eines Luftflusses an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und das Schätzen einer zweiten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines zweiten Leckflusswertes und zweiter Betriebsparameter. Das System und das Verfahren beinhalten darüber hinaus das Vergleichen der ersten effektiven Leckfläche mit der zweiten effektiven Leckfläche und das Bestimmen einer Anodenausflusslecklage basierend auf dem Vergleich zwischen den ersten und zweiten effektiven Leckflächen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines Anodenlecks in einem Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Quantifizieren einer Lage eines Anodenlecks, einer Lage des Ausflusses des Lecks und einer effektiven Leckfläche in einem Brennstoffzellensystem.
  • 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 an dem Anodenkatalysator in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der 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.
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer 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.
  • 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. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle 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.
  • Es ist notwendig, die Flussrate durch die Entlüftungsventile, die Absperrventile und mögliche andere Ventile in dem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems genau zu bestimmen, um Kenntnis darüber zu haben, wann das jeweilige Ventil geschlossen werden muss, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. Herkömmliche Ventilöffnungsmodelle arbeiten einigermaßen gut, sind aber Streuungen, die von Teil zu Teil vorliegen, unterworfen, da die Modelle eine effektive Fläche der Öffnung annehmen. Darüber hinaus erfordert die Berechnung eines Modells für eine Öffnung eine Differenz zwischen einem Einlassdruck und einem Auslassdruck, um den Fluss zu bestimmen. Für gewisse bekannte Systeme ist dieses Druckdifferential in derselben Größenordnung wie der Fehler der Drucksensoren was zu großen Schätzfehlern führen könnte.
  • US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/636,276 mit dem Titel „Injektorflussmessung für Brennstoffzellenanwendungen”, angemeldet am 11. Dezember 2009 und eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit inkorporiert durch Bezugnahme, offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Flusses durch ein Ventil in einem Brennstoffzellensystem. Ein Anodensubsystemdruck wird unmittelbar vor einem Injektorpuls und unmittelbar nach dem Injektorpuls gemessen und eine Differenz zwischen den Drücken bestimmt. Diese Druckdifferenz, das Volumen des Anodensubsystems, die ideale Gaskonstante, die Temperatur des Anodensubsystems, der durch die Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels verbrauchte Brennstoff während des Injektionsereignisses und der Cross-Over des Brennstoffs durch die Membranen in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels werden dabei verwendet, um den Fluss durch ein Ventil zu bestimmen. Die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/971,982 mit dem Titel „Flussschätzung basierend auf einer Anodendruckreaktion in einem Brennstoffzellensystem”, angemeldet am 17. Dezember 2010 und eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, bestimmt den Fluss an Anodengas aus einem Anodensubsystem und kann darüber hinaus bestimmen, ob ein Leck in dem Anodensubsystem vorliegt. Die Lage des Lecks und die effektive Leckfläche sind jedoch nicht bekannt. Demzufolge besteht ein Bedürfnis im Stand der Technik für einen Weg, um die Lage des Anodenlecks zu quantifizieren, den Ort des Auslassflusses und die effektive Leckfläche zu quantifizieren und vorgesehene Gegenmaßnahmen einleiten zu können sowie eine Korrektur an den Brennstoffzellsystemmodellen vorzunehmen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Quantifizieren einer Lage eines Anodenlecks in einem Brennstoffzellensystem offenbart, das das Bestimmen, ob ein Leck in einem Anodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels und das Schätzen einer ersten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines ersten Leckflusswertes und erster Betriebsparameter umfasst. Das System und das Verfahren beinhalten ferner das Steigern eines Luftflusses zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und das Schätzen einer zweiten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines zweiten Leckflusswertes und zweiter Betriebsparameter. Das System und das Verfahren beinhalten darüber hinaus das Vergleichen der ersten effektiven Leckfläche mit der zweiten effektiven Leckfläche und das Bestimmen eines Ortes eines Anodenausflusslecks ausgehend von dem Vergleich zwischen den effektiven ersten und zweiten Leckflächen.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
  • 2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Quantifizieren einer Lage eines Anodenlecks und der Lage des Ausflusses des Lecks; und
  • 3 ist ein Graph, bei dem der Anodendruck auf der horizontalen Achse und ein Anodenleckfluss auf der vertikalen Achse aufgetragen sind.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Quantifizieren einer Lage eines Anodenlecks in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Insbesondere bestimmt das hier diskutierte Verfahren einen Fluss eines Anodengases aus einem Anodensubsystem. Das Verfahren wird jedoch auch eine Anwendung zum Bestimmen eines Flusses aus anderen geschlossenen Systemen haben.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellsystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite. Ein Kompressor 16 stellt einen Luftfluss zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 14 durch eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) 18 bereit, die die Kathodeneinlassluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 20 durch ein Druckhalteventil 22 ausgelassen. Ein Drucksensor 26 misst den Druck auf der Kathodeneinlassleitung 14 und ein Drucksensor 24 misst den Druck der Kathodenabgasleitung 20, wie unten weiter beschrieben werden wird.
  • Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 erhält Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffquelle 32 auf einer Anodeneingangsleitung 30 und liefert ein Anodenrezirkulationsgas auf einer Anodenrezirkulationsleitung 34. Wenn ein Spülen oder Entlüften der Gase in der Anodenseite des Stapels 12 gewünscht wird, wird Anodenabgas in die Kathodeneinlassleitung 14 durch ein Ventil 36, das in einer Anodenabgasleitung 28 vorgesehen ist, entlüftet. Ein Drucksensor 42 wird an einem Ort in dem Anodensubsystem bereitgestellt, beispielsweise in der Anodenrezirkulationsleitung 34, um den Druck der Anodenseite des Stapels 12 zu messen. Ein Steuergerät 44 empfängt Drucksignale von den Drucksensoren 24, 26 und 42 und steuert verschiedene Brennstoffzellenstapeloperationen und verschiedene Algorithmen, wie unten detaillierter beschrieben werden wird.
  • Wie oben erwähnt, bestimmt die US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/971,982, die durch Bezugnahme inkorporiert ist, den Fluss des Anodengases aus einem Anodensubsystem und kann darüber hinaus bestimmen, ob ein Leck in dem Anodensubsystem vorliegt. Gegenwärtig wird für jede Funktion angenommen, dass sich das Leck an dem ungünstigsten Ort für diese Funktion befindet. Beispielsweise wird für die Emissionsfunktion angenommen, dass die Lage des Lecks der Anodeneinlass zu dem Kathodenauslass ist. Dies bewirkt, dass die Gegenmaßnahmen weniger einschneidend sind, als sie sein müssten, und kann zu einem weniger effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 führen.
  • Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der im Grunde genommen eine intrusive Diagnose darstellt, um Kenntnis erlangen zu können, wo sich ein Anodenleck in dem System 10 befindet und um die Größe des Lecks durch Ändern der Betriebsbedingungen zu quantifizieren, was zu einem genaueren Modellieren der Leckrate und einem präziseren Handhaben von Gegenmaßnahmen, die auf dem Leck basieren, führt. Vor dem unten beschriebenen Algorithmus gab es keinen Weg zum Modellieren eines Anodenlecks. Demzufolge wurde eine Leckdetektion auf einer regulären oder konstanten Basis benötigt. Dies ist aufgrund der großen Fehler, die in den vorher bekannten Schätzverfahren für ein Leck inhärent sind, jedoch während der Betriebsbedingungen bei hoher Leistung schwierig. Der Algorithmus ermöglicht es, dass die Lage des Lecks und die Größe des Lecks bei Bedingungen, bei denen die Auflösung der Leckdetektion hoch ist, quantifiziert werden können. Dies ermöglicht das Modellieren des Lecks in Bereichen, bei der die Leckdetektion nicht so genau ist, und es ermöglicht, dass geeignete Gegenmaßnahmen basierend auf der Lage des Lecks unternommen werden können. Der Algorithmus ermöglicht darüber hinaus prädiktive Leckwerte bei verschiedenen Betriebsbedingungen genauso gut wie eine verbesserte Stickstoffmodellierung und verbesserte Schätzungen der Emissionen.
  • 2 ist ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren für einen Algorithmus zeigt, der die Lage eines Anodenlecks quantifiziert, d. h. der bestimmt, ob das Leck in der Anodeneinlassleitung 30 oder der Anodenauslassleitung 28 vorliegt, und darüber hinaus die Lage des Auslassflusses quantifiziert, d. h. den Kathodeneinlass, den Kathodenauslass oder einen Ort eines Austrittsflusses in die Umgebung. Um die Lage zu bestimmen, muss die Leckrate für eine Anzahl von verschiedenen Betriebspunkten bestimmt werden. Das wird am besten bei niedriger Leistung vorgenommen, wobei der Algorithmus zur Leckdetektion, wie unten beschrieben werden wird, der genaueste ist. Die Grundidee ist dabei, den Kathodenfluss intrusiv zu steigern, was den Druckabfall in der Kathode ändern wird, um die Lage des Lecks aufspüren zu helfen.
  • Die Motivation zum Detektieren der Lage eines Anodenlecks ist es, die Schätzung für die Anodengaskonzentration durch Bestimmen der Lage des Anodenlecks zu verbessern. Es ist darüber hinaus möglich, geeignete Gegenmaßnahmen gegen das Leck zu unternehmen. Ein Beispiel für eine Gegenmaßnahme beinhaltet das Erhöhen des Kompressorflusses, wenn sich das Leck im Kathodenauslass befindet, wobei die Emissionen betrachtet werden müssen, oder das Steigern des Luftflusses des Radiators, wenn ein Leck zur Umgebung detektiert wird. Die folgenden Annahmen werden vorgenommen, wenn die Lage des Lecks bestimmt werden soll: (1) der Algorithmus ist eine aktive Diagnose, die verwendet werden muss, wenn ein detektiertes Leck die Emissionen nicht verletzt, (2) es gibt nur eine einzelne Lage für das Leck und (3) das Leck kann durch einen Fluss durch eine Öffnung dargestellt werden. Es gibt sechs potentielle Leckpfade von der Anode zu der Kathode, die von dem obigen Algorithmus detektiert werden können, welche durch die folgende Tabelle wiedergegeben werden.
    Lage stromaufwärts Lage stromabwärts
    Anodeneinlass Kathodeneinlass
    Anodeneinlass Kathodenauslass
    Anodeneinlass Umgebung
    Anodenauslass Kathodeneinlass
    Anodenauslass Kathodenauslass
    Anodenauslass Umgebung
  • Der Algorithmus beginnt mit dem Detektieren eines Lecks und dem Berechnen des Leckflusses im Kasten 52. Leckdetektionsalgorithmen basierend auf einem Massengleichgewicht können verwendet werden, wie sie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/636,276 und 12/971,982, die durch Bezugnahme inkorporiert sind, beschrieben sind. Sobald im Kasten 52 ein Leck detektiert worden ist, speichert der Algorithmus einen Leckfluss und andere Parameter im Kasten 54. Der Leckwert, der gespeichert wird, liegt bei nominalen Betriebsbedingungen vor. Beispielsweise sind typische nominale Betriebsbedingungen: Anodendruck = 130 kPa, Kathodeneinlassdruck = 110 kPa, Kathodenauslassdruck = 104 kPa und Umgebungsdruck = 100 kPa bei einer Anodenwasserstoffkonzentration von 0,7.
  • Sobald der Leckfluss und andere Parameter im Kasten 54 gespeichert sind, wird die effektive Leckfläche geschätzt, um den Leckfluss für drei verschiedene Orte des Lecks A eff_nom / i abzugleichen, wobei der tiefgestellte Index i drei Fälle für den Ort eines Lecks bezeichnet, unter Verwendung der folgenden Gleichung:
    Figure DE102013112460A1_0002
    wobei MwAnOut das Molekulargewicht des Anodenauslassgases, ṅLeak die Leckrate, PAnIn der Druck in dem Anodensubsystem, R die ideale Gaskonstante (8,315 kPa–L/mol–K), TCoolIn die Temperatur in Kelvin des Kühlmittels in dem Stapel, C2K ein Umwandlungsfaktor von Celsius in Kelvin, L2m3 ein Umwandlungsfaktor von Litern in Kubikmeter, k das Verhältnis der spezifischen Wärme (ungefähr 1,4) und für den ersten Ort des Lecks i der Druck des Kathodeneinlasses PCaIn, die verwendet wird, sind. Die gleiche Gleichung wird für die Lage des Lecks im Kathodenauslass verwendet, wobei PCaIn durch PCaOut (der Druck des Kathodenabgassystems) ersetzt wird, für den zweiten Ort des Lecks i. Für den dritten Ort des Lecks i wird PCaOut durch PAmb (den Umgebungsdruck) ersetzt. Das System kann den Umgebungsdruck unter Verwendung eines Drucksensors (nicht gezeigt) messen oder kann einen Umgebungsdruck annehmen. Die obige Gleichung für die effektive Fläche wird verwendet, da angenommen wird, dass das Leck einer Öffnung ähnlich ist.
  • Die drei Orte für ein Leck sind (1) der Anodeneinlass zu dem Kathodenauslass, (2) der Anodenauslass zu dem Kathodeneinlass oder (3) die Anode zur Umgebung. Nachdem die effektive Leckfläche für jede der drei Orte i geschätzt ist, wird der Kathodenfluss auf einen kalibrierbaren Wert im Kasten 58 erhöht, wobei ein höherer Luftfluss wünschenswert ist, da dieser die Fähigkeit des Algorithmus, das Leck zu lokalisieren, erhöht. Sobald der Kathodenfluss im Kasten 58 erhöht wurde, berechnet der Algorithmus den Leckfluss bei den neuen Betriebsbedingungen erneut, welche den erhöhten Kathodenfluss beinhalten, und speichert den neuen Leckfluss und die Betriebsbedingungen im Kasten 60. Typische neue Betriebsbedingungen sind: Anodendruck = 170 kPa, Kathodeneinlassdruck = 150 kPa, Kathodenauslassdruck = 120 kPa und Umgebungsdruck = 100 kPa. Nachdem der Leckfluss bei den neuen Betriebsbedingungen im Kasten 60 erneut berechnet und gespeichert worden ist, werden die drei potentiellen Orte i für ein stromabwärts gelegenes Leck für A eff_hiCaFlow / i im Kasten 60 berechnet. Die drei verschiedenen potenziellen stromabwärts gelegenen Orte sind: (1) die Kathodenauslassleitung 20, (2) die Kathodeneinlassleitung 14 oder (3) die Umgebung.
  • Danach wird im Kasten 62 jede A eff_nom / i Lecklage mit der korrespondierenden Lage eines Lecks von i für A eff_hiCaFlow / i verglichen, um zu bestimmen, wo sich die Lage des Kathodenlecks befindet. Bei den Daten, die am besten passen, wird dann angenommen, dass dies die Lage des Lecks stromabwärts ist. Die Kathodenbetriebsbedingungen werden dann auf die normalen Betriebsbedingungen zurückgesetzt, die Anodenwasserstoffkonzentration wird auf nahezu 1 [Einheiten] erhöht und ein neuer Leckwert A eff_hiH2Conc / i wird im Kasten 64 gespeichert. Die gespeicherten Leckwerte aus den Kästen 52 und 62 werden unter Verwendung der Gleichung (1) verglichen, abgesehen davon, dass das Molekulargewicht des Anodenauslassgases nun näher am Molekulargewicht von Wasserstoff liegt, und die Lage des Anodenlecks wird im Kasten 66 bestimmt. Wenn die gespeicherten Leckwerte aus dem Kasten 52 und dem Kasten 62 sich wesentlich unterscheiden, dann wird bestimmt, dass das Leck sich im Anodenauslass befindet. Wenn sich die gespeicherten Leckwerte aus dem Kasten 52 und dem Kasten 62 nicht wesentlich unterscheiden, dann wird bestimmt, dass das Leck sich am Anodeneinlass befindet. Dieser Vergleich zur Bestimmung der Lage des Lecks funktioniert am besten, wenn die Anodenkonzentration im Kasten 52 niedriger als im Kasten 62 ist. Die Leckdetektion ist bei hoher Leistung weniger verlässlich, bei der die Schätzfehler größer sein können. Demzufolge kann das Steuergerät 42 den Algorithmus für die Leckdetektion unter Verwendung einer niedrigeren Wasserstoffkonzentration wiederholen, um die Leckschätzung zu verbessern.
  • Beispielsweise können die folgenden Messdaten angewendet werden, wenn die Leckwerte aus dem Kasten 52 und dem Kasten 62 verglichen werden, um den Ort des Leckauslasses zu bestimmen.
    Lecklage Mögliche Druckdifferenz über dem Leck für Nominalfall Mögliche Druckdifferenz über dem Leck bei hohen Kathodenluftfluss
    AnIn zu CaOut 25 kPa 50 kPa
    AnOut zu CathIn 20 Kpa 20 kPa
    Anode zu Umgebung 30 kPa 70 kPa
  • Sobald der Ort des Lecks und die effektive Leckfläche A eff / i bestimmt sind, kann ein Modell verwendet werden, um das Leck bei verschiedenen Betriebsbedingungen während der Laufzeit des Brennstoffzellenstapels zu schätzen, so dass die Information an die Modelle für ein geeignetes Lecksignal zugeführt werden kann. Beispielsweise kann der Effekt des Lecks auf ein Stickstoffmodell quantifiziert werden. Gegenmaßnahmen, die auf der Leckrate basieren, können unter Verwendung des oben diskutierten Algorithmus spezifischer für die interessierende Lage sein. Wenn das Leck zur Umgebung vorliegt, muss beispielsweise der Kathodenfluss nicht erhöht werden, um das Anodenleck abzuschwächen.
  • 3 ist ein Graph, bei dem ein Anodendruck in kPa auf der horizontalen Achse und ein Anodenleckfluss in Mol/Sekunde auf der vertikalen Achse abgetragen sind. 3 zeigt eine typische Reaktion von dem oben diskutierten Algorithmus. Der Bias des Drucks zwischen dem Anodeneinlass und dem Kathodeneinlass wird zwischen zwei Referenzpunkten fest eingestellt, so dass eine kleine Änderung alles ist, was erwartet wird. Die Linie 72 ist ein Kathodeneinlassmodell, die Linie 74 ist ein Kathodenauslassflussmodell und die Linie 76 ist ein Umgebungsmodell. Im Punkt 70 konvergieren die Linien 72, 74 und 76, da sie so berechnet wurden, um aufeinander zu passen. Wenn die Linien 72, 74 und 76 jedoch auf einen niedrigeren Anodendruck zurück extrapoliert werden, passt die Linie 76 am besten zu dem Punkt 78. Demzufolge kann angenommen werden, dass der Ort für den Anodenleckauslass gemäß den Daten aus der 3 die Umgebung ist.
  • 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.
  • Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zum Quantifizieren einer Lage eines Anodenlecks in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst: – Bestimmen, ob sich ein Leck in einem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems befindet; – Schätzen einer ersten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines ersten Leckflusswerts und erster Betriebsparameter; – Erhöhen eines Luftflusses zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels; – Schätzen einer zweiten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines zweiten Leckflusswertes und zweiter Betriebsparameter; – Vergleichen der ersten effektiven Leckfläche mit der zweiten effektiven Leckfläche; und – Bestimmen einer Lage des Anodenausflusslecks basierend auf dem Vergleich zwischen den ersten und zweiten effektiven Leckflächen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der ersten und zweiten effektiven Leckflächen das Schätzen der ersten und zweiten effektiven Leckflächen für drei verschiedene potentielle Leckausflusslagen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die drei verschiedenen Leckausflusslagen ein Kathodenauslass, ein Kathodeneinlass oder eine Umgebung sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die drei verschiedenen Leckausflusslagen verwendet werden, um eine erste Menge von effektiven Leckflächen und eine zweite Menge von effektiven Leckflächen zu erzeugen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die erste Menge von effektiven Leckflächen mit der zweiten Menge von effektiven Leckflächen verglichen wird, um die Anodenausflusslecklage zu bestimmen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Erhöhen einer Wasserstoffkonzentration in dem Anodensubsystem und das Bestimmen einer Anodenlecklage unter Verwendung der erhöhten Wasserstoffkonzentration.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen der Anodenlecklage unter Verwendung der erhöhten Wasserstoffkonzentration das Bestimmen beinhaltet, ob eine Veränderung in dem Molekulargewicht des Anodenabgases vorliegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Vornehmen von Gegenmaßnahmen basierend auf der bestimmten Anodenlecklage und der effektiven Leckfläche.
  9. Ein Steuersystem zum Quantifizieren einer Anodenlecklage in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Steuersystem umfasst: – Mittel zum Bestimmen, ob ein Leck in einem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems vorliegt; – Mittel zum Schätzen einer ersten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines ersten Leckflusswertes und erster Betriebsparameter; – Mittel zum Erhöhen eines Luftflusses zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels; – Mittel zum Schätzen einer zweiten effektiven Leckfläche unter Verwendung eines zweiten Leckflusswertes und zweiter Betriebsparameter; – Mittel zum Vergleichen der ersten effektiven Leckfläche mit der zweiten effektiven Leckfläche; – Mittel zum Bestimmen einer Lage des Anodenausflusslecks basierend auf dem Vergleich zwischen den ersten und zweiten effektiven Leckflächen; – Mittel zum Steigern einer Wasserstoffkonzentration in dem Anodensubsystem; und – Mittel zum Bestimmen einer Anodenlecklage unter Verwendung der erhöhten Wasserstoffkonzentration.
  10. Steuersystem nach Anspruch 9, wobei das Schätzen der ersten und zweiten effektiven Leckflächen das Schätzen der ersten und zweiten effektiven Leckflächen für drei verschiedene potentielle Lagen eines Leckaustritts umfasst.
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