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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 Sensor für die relative Feuchtigkeit (RH-Sensor), der die relative Feuchtigkeit einer Kathodeneinlassluft, die an einen Brennstoffzellenstapel geliefert wird, oder eine Hochfrequenzwiderstandsmessschaltung (HFR-Messschaltung), die den Wassergehalt des Stapels misst, korrekt arbeitet und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein RH-Sensor oder eine HFR-Schaltung korrekt arbeitet durch Bestimmen, ob das Ausgangssignal von dem RH-Sensor oder der HFR-Schaltung gültig ist.
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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. 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 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.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle 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 aber nicht immer fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise einen hochaktiven Katalysator, wie z. B. 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 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.
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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. 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 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 Membran innerhalb einer Brennstoffzelle muss einen genügend großen Wassergehalt aufweisen, so dass der Innenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Eine Membranbefeuchtung kann aus dem Wasserabfallprodukt des Stapels oder über eine externe 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 jedoch die Reaktanten am Durchfluss hindern und dazu führen, dass die Zelle aufgrund eines niedrigen Reaktantengasflusses ausfällt, und demnach die Stapelstabilität beeinträchtigen. Die Akkumulation von Wasser in den Reaktantengasflusskanälen und auch innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist insbesondere bei niedrigen Stapelausgangslasten ärgerträchtig.
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Wie oben erwähnt wird Wasser als ein Abfallprodukt beim Stapelbetrieb erzeugt. Demzufolge weist das Kathodenabgas aus dem Stapel typischerweise signifikant viel Wasserdampf und flüssiges Wasser auf. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Wasserdampftransfereinheit (WVT-Einheit) zu verwenden, um einiges von dem Wassergehalt in dem Kathodenabgas aufzufangen und diesen Wassergehalt für die Befeuchtung des Kathodeneinlassluftflusses zu verwenden. Das Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Wassertransferelemente innerhalb der WVT-Einheit wird von den Wassertransferelementen absorbiert und an den Kathodenluftstrom an der anderen Seite der Wassertransferelemente überführt. Eine typische WVT-Einheit umfasst Membranen, die aus einem speziellen Material hergestellt sind, wobei der nasse Fluss auf einer Seite der Membran durch die Membran transferiert wird, um den trockenen Fluss auf der anderen Seite der Membran zu befeuchten.
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Wie oben erwähnt, ist es generell notwendig, den Wassergehalt des Stapels einzustellen, so dass die Membranen in dem Stapel eine korrekte Protonenleitfähigkeit aufweisen, aber auch dafür zu sorgen, dass die Flusskanäle nicht von Eis blockiert werden, wenn das Wasser während einer Systemabschaltung gefriert. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, einen RH-Sensor in den Kathodenlufteinlass eines Brennstoffzellensystems vorzusehen, um die Befeuchtung des Kathodeneinlassgasstroms, wenn dieser in den Stapel eintritt, zu messen. Unter Verwendung der gemessenen relativen Feuchtigkeit im Einlass und des Wassergleichgewichts oder des Massengleichgewichts an Wasser kann das RH-Profil des Brennstoffzellensystems inklusive des Kathodenluftauslassflusses geschätzt werden. Die Fähigkeit des RH-Sensors einen genauen Messwert der relativen Feuchtigkeit bereitzustellen wird durch die Kosten und die Komplexität des Sensors bestimmt. Es ist typischerweise wünschenswert, die Kosten für den Sensor zu begrenzen, was wiederum dessen Genauigkeit reduziert.
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Eine andere Technik zum Bestimmen des Wassergehalts des Stapels ist im Stand der Technik als Hochfrequenzwiderstandsfeuchtigkeitsmessung (HFR-Messung) bekannt, wobei Hochfrequenz in diesem Kontext typischerweise 300 Hz bis 10 kHz. HFR-Befeuchtungsmessungen werden vorgenommen, indem ein Hochfrequenzanteil oder ein Signal auf der elektrischen Last am Stapel angelegt werden, so dass eine Hochfrequenzwelligkeit auf dem Stromausgang des Stapels erzeugt wird. Der Widerstand des Hochfrequenzanteils, welcher eine Funktion des Befeuchtungsgrades der Membranen in dem Stapel ist, wird dann von einem Detektor gemessen. Der Hochfrequenzwiderstand ist eine gut bekannte Größe der Brennstoffzellen und steht in engem Bezug zum ohmschen Widerstand oder zum Protonenwiderstand der Membran der Brennstoffzellenmembranen. Der ohmsche Widerstand selber ist eine Funktion des Grades der Befeuchtung der Brennstoffzellenmembranen. Demzufolge kann durch Messen des Hochfrequenzwiderstands der Brennstoffzellenmembranen eines Brennstoffzellstapels innerhalb eines spezifischen Bandes von Erregerstromfrequenzen der Grad der Befeuchtung der Brennstoffzellmembranen bestimmt werden. Diese Hochfrequenzwiderstandsmessung gestattet eine unabhängige Messung der Befeuchtung der Brennstoffzellmembranen, was die Notwendigkeit für RH-Sensoren beseitigt.
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Manchmal werden Modelle in Brennstoffzellensystemen zum Bestimmen des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel verwendet. Beispielsweise ist es bekannt, ein Wasserpuffermodell zu verwenden, das den Betrag an Wasser, der in dem Stapel befindlich ist, für eine vorgegebene Zeit schätzt. Ferner ist ein Wassertransfermodell bekannt, das den Wassertransfer in der WVT-Einheit unter Verwendung des Wasserpuffermodells schätzt. Das Wassertransfermodell kann die relative Feuchtigkeit des Kathodenlufteinlasses schätzen und unter Verwendung dieses Wertes und verschiedener Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise der Temperatur, der Kathodenstöchiometrie, des Drucks, der Stapelstromdichte etc. die relative Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases durch Berücksichtigung der Wasserpuffer innerhalb des Brennstoffzellenstapels schätzen. Die MEAs und Diffusionsmedien innerhalb des Stapels weisen eine gewisse Wasseraufnahmekapazität auf, so dass Änderungen der obigen Bedingungen sich nicht sofort in dem Gleichgewichtszustandswert der Auslassfeuchtigkeit widerspiegeln. Unter Verwendung der Schätzung der relativen Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases und des Wassertransfervermögens der WVT-Einheit revidiert das Modell dann die Schätzung der relativen Feuchtigkeit der Kathodeneinlassluft.
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Falls die Stapelbetriebsbedingungen eine unterschiedliche relative Feuchtigkeit im Kathodenauslassgas erfordern, dann kann die Systemsteuerung die Temperatur des Kühlmittels, das durch den Stapel fließt, ändern, um die Temperatur des Stapels zu ändern, was wiederum eine Änderung, wie viel Wasser die Kathodenluft absorbieren kann, ändert. Wenn die Stapeltemperatur steigt, steigt insbesondere die Fähigkeit der Kathodenluft, die durch den Stapel fließt, mit Wasser gesättigt zu werden, wobei die absolute Feuchtigkeit der Kathodenluft die Gleiche bleiben kann, aber die relative Feuchtigkeit der Kathodenluft abnimmt.
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Die WVT-Einheit degradiert mit der Zeit, wobei ihre Effektivität, Wasser von dem Kathodenauslassgas zu der Kathodeneinlassluft zu transferieren, abnimmt. Dieses Phänomen kann aus vielerlei Gründen herrühren, beispielsweise einer Membrankontamination, einer Membrandegradation etc. Für die Systeme, die einen RH-Sensor zwischen der WVT-Einheit und dem Brennstoffzellenstapel und/oder eine HFR-Messschaltung verwenden, kann der Ausgang des Sensors oder der Schaltung verwendet werden, um das Wassertransfermodell zu korrigieren, so dass die Schätzung der relativen Feuchtigkeit der Kathodeneinlassluft mit der Degradation der WVT-Einheit eingestellt wird. Der RH-Sensor oder die HFR-Schaltung selber können jedoch manchmal ausfallen und/oder falsche Ergebnisse liefern, wobei der Sensor oder die Schaltung keinen genauen Messwert für den Wassergehalt der Kathodeneinlassluft geben. In diesem Fall kann das Modell ausgehend von der ungenauen Messung der relativen Feuchtigkeit eingestellt werden, was zu Problemen mit der Leistungsfähigkeit des Stapelbetriebs führt. Wenn der RH-Sensor oder die HER-Schaltung eine Messung der relativen Feuchtigkeit der Kathodeneinlassluft gibt, welche beispielsweise niedriger als der tatsächliche Wert ist, kann das Wassertransfermodell die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu einem niedrigeren Wert und dabei ein erfolgtes Austrocknen des Stapels kompensieren. Dies würde die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses und des Kathodenauslasses auf einen höheren Grad als gewünscht nach oben versetzen, was zu einer Stapelinstabilität aufgrund eines Flutens der Flusskanäle führen könnte.
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Darüber hinaus können andere Sensoren oder Geräte in dem System eine Fehlfunktion aufweisen, beispielsweise die Temperatursensoren des Kühlmittels, der Kathodenluftflussmesser, die Drucksensoren etc. Demzufolge kann der Ausgang des RH-Sensors oder der HFR-Schaltung eine Degradation der WVT-Einheit anzeigen, wobei die Sensormessung genau ist, aber die Systemsteuerung könnte die Änderung nicht korrekt interpretieren.
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US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/197,535 mit dem Titel ”Verwendung eines HFR-basierenden Kathodeneinlass-RH-Modells im Vergleich zu einer Sensorrückkopplung zur Bestimmung einer ausgefallenen Wasserdampftransfereinheit und Verwendung eines Diagnosecodes und einer Diagnosenachricht”, angemeldet am 03.08.2011, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines Cross-Over-Lecks in einer WVT-Einheit unter Verwendung von HFR- und RH-Sensormessungen
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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 Sensor für die relative Feuchtigkeit (RH-Sensor), der die relative Feuchtigkeit der Kathodeneinlassluft, die an einen Brennstoffzellenstapel geliefert wird, misst, oder eine Hochfrequenzwiderstandsmessschaltung (HFR-Messschaltung), die den Wassergehalt des Stapels misst, korrekt arbeitet. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen der Kathodeneinlassluft durch eine Wasserdampftransfereinheit (WVT-Einheit), bevor diese in den Brennstoffzellenstapel eintritt, welche den Wassergehalt der Kathodeneinlassluft erhöht. Das Verfahren liefert ferner ein Kathodenauslassgas an die WVT-Einheit, um eine Befeuchtung bereitzustellen, um das Wassergehalt der Kathodeneinlassluft zu erhöhen. Das Verfahren verwendet ein Wasserpuffermodell zum Bestimmen des Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels basierend auf den Eingangsgrößen von einer Vielzahl von Systemkomponenten und revidiert ein Wassertransfermodell unter Verwendung des HFR-Befeuchtungssignals oder des RH-Sensorsignals, um die Degradation der WVT-Einheit zu korrigieren. Das Verfahren bestimmt, ob der RH-Sensor oder die HFR-Schaltung korrekt arbeitet, beispielsweise durch Bestimmen, ob das HFR-Befeuchtungssignal mit einer Rate, die schneller ist als sich der Wassergehalt des Stapels ändern kann, steigt.
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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; und
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2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und eine HFR-Messung auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, was ein Beispiel für eine Anzeige einer Fehlfunktion der HFR-Schaltung ist, die von einem plötzlichen Sprung in der HFR-Messung ausgeht;
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3 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und eine gemessene Wassertransferrate einer WVT-Einheit auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, welcher eine langsame Drift eines RH-Sensors veranschaulicht;
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4 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und eine HFR-Messung auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, welches ein Beispiel für eine Befeuchtungsplausibilitätsdiagnose ist; und
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5 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Bestimmen, ob der RH-Sensor oder die HFR-Schaltung korrekt arbeiten, zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Identifizieren eines Ausfalls einer HFR-Schaltung oder eines RH-Sensors in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Ein Kompressor 14 liefert einen Luftfluss zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 16 durch einen Luftflussmesser 36, der den Kathodenluftfluss misst, und durch eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) 34, welche die Kathodeneinlassluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 18 ausgelassen, welche das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 34 führt, um die Feuchtigkeit bereitzustellen, um die Kathodeneinlassluft zu befeuchten. Ein RH-Sensor 38 ist in der Kathodeneinlassleitung 16 angeordnet, um eine RH-Messung des Kathodeneinlassluftflusses vorzunehmen, nachdem diese von der WVT-Einheit 34 befeuchtet worden ist. Ein Temperatursensor 42 ist als allgemeine Darstellung für eine oder mehrere Temperatursensoren, die in dem System 10 verwendet werden können, vorgesehen, welche dazu verwendet werden können, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 und/oder verschiedener Mittelflussbereiche in dem System 10 zu erhalten.
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Das Brennstoffzellensystem
10 beinhaltet ferner eine Quelle
20 für Wasserstoffgas, typischerweise einen Hochdrucktank, der ein Wasserstoffgas an einen Injektor
22 liefert, welcher einen kontrollierten Betrag an Wasserstoffgas an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 auf einer Anodeneingangsleitung
24 injiziert. Obwohl nicht speziell gezeigt, ist es Fachleuten klar, dass verschiedene Druckregler, Steuerventile, Abschaltventile etc. vorgesehen sein können, um das Hochdruckwasserstoffgas von der Quelle
20 mit einem für den Injektor
22 geeigneten Druck zu liefern. Der Injektor
22 an sich kann jeder geeignete für diese hier diskutierten Zwecke geeignete Injektor sein. Beispielsweise ist dieser ein Injektor/Ejektor, wie in dem
US-Patent 7,320,840 mit dem Titel ”Kombination eines Injektor/Ejektor für Brennstoffzellensysteme”, erteilt am 22. Januar 2008, und eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert.
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Ein Anodenausflussgas wird von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anodenauslassleitung 26 ausgelassen, welches an ein Entlüftungsventil 28 geliefert wird. Ein Stickstoff-Cross-Over von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 verdünnt das Wasserstoffgas in der Anodenseite des Stapels 12, was die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. Demzufolge ist es notwendig, das Anodenausflussgas von 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 Entlüftungsventil 28 in einer Stellung, bei der Anodenausflussgas an eine Rezirkulationsleitung 30 geliefert wird, die das Anodengas zu dem Injektor 22 rezirkuliert, um diesen als einen Ejektor zu betreiben und rezirkuliertes Wasserstoffgas zurück zu dem Anodeneinlass des Stapels 12 zu führen. Wenn eine Entlüftung vorgenommen wird, um den Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 12 zu reduzieren, wird das Entlüftungsventil 28 in eine Stellung gebracht, um das Anodenausflussgas zu einer Bypass-Leitung 32 zu führen, die das Anodenausflussgas mit dem Kathodenabgas auf der Leitung 18 mischt, wobei das Wasserstoffgas verdünnt wird, um umweltverträglich zu sein. Obwohl das System 10 ein Anodenrezirkulationssystem ist, findet die vorliegende Erfindung bei anderen Arten von Brennstoffzellensystemen eine Anwendung zu denen auch Anodenflussumkehrsysteme gehören, was von Fachleuten gut verstanden wird.
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Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ferner eine HER-Schaltung 40, die Stapelmembranfeuchtigkeit der Membranen in den Stapel 12 in einer Art bestimmt, die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die HER-Schaltung 40 bestimmt den Hochfrequenzwiderstand des Brennstoffzellenstapels 12, welcher dann dazu verwendet wird, um die Befeuchtung der Zellenmembranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 zu bestimmen. Die HER-Schaltung 40 arbeitet durch Bestimmen des ohmschen Widerstandes oder des Protonenwiderstandes der Membranen des Brennstoffzellenstapels 12. Der Protonenwiderstand der Membranen ist eine Funktion der Membranfeuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels 12.
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Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Kühlmittelflusspumpe 48, die ein Kühlmittel durch Flusskanäle innerhalb des Stapels 12 pumpt, und eine Kühlmittelschleife 50 außerhalb des Stapels 12. Ein Radiator 46 senkt. die Temperatur des durch die Schleife 50 fließenden Kühlmittels in einer Art, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ferner ein Steuergerät 44, das den Betrieb des Systems 10 steuert. Das Steuergerät 44 arbeitet mit einem Wasserpuffermodell und einem Wassertransfermodell der oben erwähnten Art, die den Wassergehalt des Stapels und den Wassertransfer in der WVT-Einheit 34 jeweils schätzen, basierend auf vielen und unterschiedlichen Eingangsgrößen von Komponenten in dem System, zu denen nicht abschließend der Massenflussmesser 36 und der Temperatursensor 42 gehören. Das Steuergerät 44 empfängt das HER-Messsignal von der HER-Schaltung 40 und das RH-Messsignal von dem RH-Sensor 38 und kann diese Eingangsgrößen dazu verwenden, das Modell zu aktualisieren, wenn die WVT-Einheit 34 degradiert. Wie erwähnt, steuert das Steuergerät 44 den Betrieb des Systems 10, zu dem das Entlüftungsventil 28, der Kompressor 14, der Injektor 22, die Pumpe 48 etc. gehören.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein HER-Messsignal von der HFR-Schaltung 40 eine Drift aufweist oder ob die Schaltung 40 ausgefallen ist und/oder, ob ein Ausgang von dem RH-Sensor 38 eine Drift aufweist oder der Sensor 38 ausgefallen ist. Insbesondere werden die unten beschriebenen Techniken drei separate Fehler identifizieren, wozu ein plötzlicher Sprung in der HFR-Messung, ein langsamer RH-Sensor oder eine HFR-Messungsdrift und eine Bestimmung der Befeuchtungswertplausibilität gehören, die bestimmen, ob der RH-Sensor oder die HFR-Schaltung ein Signal liefern, das eine Änderung in dem Wassergehalt anzeigt, wenn keine solche Änderung auftreten sollte. Das Steuergerät 44 arbeitet mit verschiedenen Algorithmen und Verfahren, um die verschiedenen Überwachungen und eine Steuerung, wie unten diskutiert werden wird, auszuführen.
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Die Überwachung zum Bestimmen eines plötzlichen Sprungs in der HFR-Befeuchtung überwacht das HFR-Messsignal von der Schaltung 40, um zu bestimmen, ob nicht plausible Werte basierend auf einem plötzlichen, physikalisch unmöglichen Sprung in dem HFR-Messsignal geliefert werden. Die MEAs in dem Brennstoffzellenstapel 12 können nur so schnell austrocknen basierend auf einem Massentransfer und untergeordneten Betrachtungen, so dass, wenn ein Signalstrom auftritt, der schneller ist als die theoretische Austrocknungsrate der Membran, angenommen werden kann, dass die HFR-Schaltung 40 nicht korrekt arbeitet. 2 ist ein Graph, bei dem die Zeit in Sekunden auf der horizontalen Achse und eine HFR-Messung von der Schaltung 40 auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, welche ein mögliches Auftreten zeigt. Die Graphenkurve 60 zeigt einen Sprung in dem HFR-Messsignal an der Stelle 62 auf eine Höhe, beispielsweise von ungefähr 50 mΩ-cm2 bis 500 mΩ-cm2 in weniger als 1 Sekunde, was ein HFR-Messratenanstieg ist, der in physikalischen Systemen unmöglich wäre. Die maximale physikalische Rate kann eine Funktion des Kathodenluftflusses sein, da dieser in großem Maße die Austrocknungsrate der Zellenmembranen beeinflusst. Eine Gegenmaßnahme, die unternommen werden kann, wenn dieser Fehler detektiert wird, ist das Anpassen oder Modifizieren des Wassertransfermodells unter Verwendung des HFR-Messsignals abzubrechen, und das HFR-Messsignal außer Betracht zu lassen. Wenn das HFR-Signal wieder innerhalb der Vorhersagen des Stapelwasserpuffers zurückkommt, könnte die Überwachung als gültig angenommen werden und wieder eine normale Anpassung des Modells erfolgen.
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Die zweite Überwachung überwacht einen langsamen Sensor oder eine Drift in der HFR-Messung, wobei die Drift ausgehend von Grenzwerten oder Beschränkungen, die auf die Anpassung des Wassertransfermodells gelegt sind, identifiziert werden kann. Die WVT-Einheit 34 sollte nicht mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit über die Zeit arbeiten. Demzufolge könnte sich eine Sensorausfalldiagnose ergeben, wenn die HFR-Schaltung 40 oder der RH-Sensor 38 in einer Art zu driften anfangen, welche anzeigt, dass die WVT-Einheit 34 mehr Wasser als theoretisch oder praktisch möglich transferiert. Wenn der Sensor 38 oder die HFR-Schaltung 40 auf eine andere Art und Weise anfangen zu driften, so dass die Leistungsfähigkeit der WVT-Einheit 34 sich verschlechtern würde, kann es nicht möglich sein, eine Aussage zu treffen, ob der Sensor 38 oder die HFR-Schaltung 40 ausgefallen ist oder die WVT-Einheit 34 ausgefallen ist. In jedem Fall kann die Überwachung ein Flag setzen, das es gestattet, einem Wartungstechniker, zu bestimmen, welches Element nicht korrekt arbeitet.
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Wenn eine Diagnose für eine langsame Drift als Ergebnis eines zu hohen oder zu niedrigen Messwertes eines RH-Sensors oder einer Messung der HFR-Schaltung ausgelöst wird, könnte die Korrektur an dem Wassertransfermodell abgebrochen werden. Je nachdem, welcher Grenzwert erreicht wurde, könnten die Wassertransfercharakteristiken in dem Modell geändert werden. Wenn der Fall eingetreten ist, bei dem die Schätzung vorliegt, dass die WVT-Einheit 34 zu viel Wasser aufgrund eines empfangenen fehlerhaften Sensorsignals transferiert, dann könnten die Charakteristiken der WVT-Einheit in dem Wassertransfermodell so geändert werden, dass dieses entweder mit einem festgesetzten Wert irgendwo innerhalb des akzeptablen Leistungsbereichs des Befeuchters arbeitet oder ein Wert, der zu der Stundenzahl korrespondiert, die die WVT-Einheit 34 in Betrieb gewesen ist. Wenn der Fall auftritt, bei dem der Sensor 38 oder die HFR-Schaltung 40 anzeigt, dass die WVT-Einheit 34 zu wenig Leistung vollführt, kann das Wassertransfermodell auf den Grenzwert einer geringen Leistung angepasst werden, bis eine Wartung die wahre Fehlfunktion bestimmen konnte.
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3 ist ein Graph, bei dem die Zeit t in Stunden auf der horizontalen Achse und die gemessene Leistungsfähigkeit der WVT-Einheit auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, um diese Überwachung zu veranschaulichen. Die Graphenkurve 70 stellt einen Anstieg der Leistungsfähigkeit über die Zeit der WVT-Einheit dar, wobei die Überwachung implementiert werden kann, sobald die maximal mögliche Leistungsfähigkeit des Befeuchters auf der Linie 72 erreicht wird.
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Für die Diagnose zur Bestimmung des Befeuchtungsplausibilitätswerts ist der HFR-Messwert höher oder niedriger als dieser sein sollte. Es tritt aber weder ein plötzlicher Sprung noch eine graduelle Drift auf. In diesem Fall wird angenommen, dass der HFR-Messwert oder der RH-Sensorwert einen genauen Messwert liefert, sich der Wassergehalt des Stapels aber basierend auf dieser Messung ändert, wenn dieser es nicht tun sollte. Unter dieser Diagnose wird angenommen, dass ein Problem mit anderen Systemkomponenten, beispielsweise dem Luftflussmesser 36, vorliegt, welches die Änderung in dem gemessenen Wassergehalt verursacht. In dieser Überwachung wird das Wassertransfermodell nicht verwendet, sondern die tatsächliche HFR-Messung oder es wird der RH-Sensormesswert, um den Wassergehalt des Stapels zu bestimmen. Diagnosen für diese anderen Fehlfunktionen von Komponenten können verfügbar sein, sind aber aus welchem Grund auch immer noch nicht identifiziert worden. In diesem Fall können die Eingangsgrößen für das Wassertransfermodell, das von der ausgefallenen Komponente geliefert wird, bewirken, dass das Modell eine ungenaue RH-Schätzung liefert.
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Um zu bestimmen, ob die HFR-Schaltung 40 eine plausible Messung liefert, kann die Differenz zwischen der HFR-Messung und einer vorhergesagten HFR-Messung basierend auf dem Stapelwasserpuffermodell überwacht werden. Wenn die Differenz für eine gewisse Zeitdauer zu hoch ist, kann das Steuergerät 44 einen Fehler festsetzen, der eine Nichtübereinstimmung zwischen den Sensormesswerten und den Modellvorhersagen anzeigen würde. Da es unbekannt ist, welche Komponente in dem System 10 eine Fehlfunktion aufweist, wäre es nicht möglich, irgendeinen der Werte durch plausible Werte zu ersetzen. Eine Maßnahme müsste immer noch unternommen werden, um ein Austrocknen oder Fluten des Stapels zu verhindern. Bevor irgendetwas anderes unternommen wird, muss eine Anpassung des Wassertransfermodells ausgesetzt werden, egal ob das Modell zu der HFR-Messung oder der RH-Sensormessung passt. Darüber hinaus wäre es die Strategie, auf eine HER-basierende Befeuchtungssteuerung zurückzugreifen. Das Kombinieren der HFR-Messung mit anderen Betriebsparametern, beispielsweise der Kühlmitteltemperatur, des Kathodenluftflusses, des Kathodendrucks etc. mittels bekannter Techniken ermöglicht die Steuerung für die Schätzung der Befeuchtung des Stapels 12. Der Befeuchtungssollpunkt könnte so formuliert werden, dass der Stapel 12 nicht zu nass oder zu trocken läuft. Wenn eine Zellmembran mit Wasser vollkommen gesättigt ist, wird ein weiteres Anwachsen des Grades einer Übersättigung des Kathodenstroms von der HFR-Schaltung 40 nicht gemessen werden. Die Effektivität des HFR-Messsignals für die Bestimmung der Befeuchtung ist bei trockeneren Bedingungen viel besser, beispielsweise unterhalb von 100% relativer Feuchtigkeit. Da es nicht bekannt ist, welche Komponente ausgefallen ist, kann diese Strategie nicht sicherstellen, dass das System 10 korrekt laufen würde, bei der die beste Leistungsfähigkeit vorliegen würde.
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Typischerweise besteht ein unterer Grenzwert für den Temperatursollpunkt des Kühlmittels, beispielsweise bei 40°–50C, da niedrigere Temperaturen typischerweise eine niedrigere Leistungsfähigkeit bedeuten. Die Leitfähigkeit der Membran sinkt mit sinkender Temperatur. Die Kinetik der Elektroden wird bei niedrigen Temperaturen langsamer. Da Sensorfehler in dem Fall, in der diese Diagnose ausgelöst wird, schwerwiegend sein können, kann es notwendig sein, den minimalen Temperatursollpunkt zu reduzieren, um die Befeuchtungssteuerung auf einem akzeptablen Maß sicherzustellen. Die Anforderungen für die Befeuchtung müssen mit den Anforderungen, einen gewissen Grad an Leistungsfähigkeit einzuhalten, abgewogen werden. Da Fehler in dem System vorliegen, kann die normale Leistungskapazität des Systems nicht zur Verfügung stehen.
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4 ist ein Graph, bei dem die Zeit t in Sekunden auf der horizontalen Achse und eine HFR-Messung auf der vertikalen Achse aufgetragen ist, welche diese Diagnose veranschaulicht. In dieser Veranschaulichung wird die geschätzte HFR-Messung für einen bestimmten Gleichgewichtssystembetriebszustand durch die Graphenkurve 80 gezeigt und das tatsächliche HFR-Messsignal während dieser Zeit wird von der Graphenkurve 82 gezeigt, wobei die Graphenkurve 84 die maximal mögliche HFR-Steigerungsrate darstellt. Bei dieser Diagnose wird angenommen, dass die HFR-Messung korrekt ist und da die modellbasierende Schätzung stationär ist, wird darüber hinaus angenommen, dass irgend eine Komponente in dem System ausgefallen ist oder auf andere Art und Weise eine Fehlfunktion aufweist.
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5 ist ein Flussdiagramm 90, das ein Verfahren zum Bestimmen zeigt, ob der RH-Sensor 38 und/oder die HFR-Schaltung 40 ausgehend von der obigen Diskussion korrekt arbeiten. Eine Messung der HFR-Schaltung zur Zeit t im Kasten 92 und zur Zeit t – δt im Kasten 94 werden der Vergleichsraute 96 zugeführt, um zu bestimmen, ob die HFR-Messung über eine berechnete maximal mögliche Rate gestiegen ist. Wenn dies der Fall ist, setzt der Algorithmus einen Fehler im Kasten 98, der anzeigt, dass die Messung der HFR-Schaltung nicht gültig ist und nicht verwendet werden sollte. Wenn die Differenz zwischen den zwei Messwerten der HFR-Schaltung ein physikalisch möglicher Wert in der Vergleichsraute 96 ist, dann bestimmt der Algorithmus im Kasten 100, dass die HFR-Messung gültig ist. Der Algorithmus vergleicht dann im Kasten 102 einen angepassten Leistungsfähigkeitstest der WVT-Einheit mit einem maximalen erwarteten Wert und bestimmt, ob dieser Vergleich höher als ein vorbestimmter Wert für eine maximale Leistungsfähigkeit in der Entscheidungsraute 104 ist. Wenn der Algorithmus in der Entscheidungsraute 104 bestimmt, dass die Leistungsfähigkeit der WVT-Einheit 34 besser als ein möglicher plausibler Wert ist, dann bestimmt der Algorithmus im Kasten 106 einen Fehler für den RH-Sensor 38 oder die HFR-Schaltung 40, welche verwendet wurden, um das Wassertransfermodell anzupassen. Wenn die Leistungsfähigkeit der WVT-Einheit 34 in der Entscheidungsraute 104 akzeptabel ist, dann vergleicht der Algorithmus im Kasten 108 den geschätzten Wassergehalt in dem Stapel 12 aus dem Wasserpuffermodell mit der Messung der HFR-Schaltung und bestimmt in der Entscheidungsraute 110, ob dieser innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Wenn dieser innerhalb des vorbestimmten Bereichs in der Entscheidungsraute 110 liegt, dann stimmt die HFR-Messung mit der Schätzung des Modells im Kasten 112 überein und das System arbeitet korrekt. Wenn der Vergleich in der Entscheidungsraute 110 nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, dann liefert der Algorithmus eine Fehleranzeige, die anzeigt, dass irgendeine Systemkomponente nicht korrekt arbeitet, und arbeitet im Kasten 114 vorbestimmte Gegenmaßnahmen ab.
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Es wird angemerkt, dass alle oben diskutierten Ausführungsformen auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet sind, welches eine WVT-Einheit zum Befeuchten der Kathodeneinlassluft umfasst. Es ist jedoch aus dem Stand der Technik bekannt, die Kathodeneinlassluft direkt unter Verwendung des sauerstoffarmen Kathodenabgases ohne Erfordernis einer WVT-Einheit zu befeuchten. Beide Ausgestaltungen haben Vorteile und ein Fachmann kann leicht erkennen, wie die oben diskutierten Diagnosen für einen ”plötzlichen Sprung” und die ”Plausibilitätsbestimmung” für diejenigen Systeme, die keine WVT-Einheit verwenden, modifiziert werden könnten sondern anstelle einer WVT-Einheit eine Ausgestaltung mit einer Kathodenrezirkulation umfassen. Anstelle der Verwendung eines WVT-Modells um den Betrag an Wassergehalt, der zu dem Kathodeneinlass zurückgelangt, vorherzusagen, könnte beispielsweise ein anderes Modell oder eine andere Messung verwendet werden, welche den Rezirkulationsfluss bestimmen.
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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 ausfährbaren 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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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