DE102014100751A1 - Gegenmaßnahmen bei Luftflussfehlern in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Gegenmaßnahmen bei Luftflussfehlern in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Derek Lebzelter
Loren Devries
Todd K. Preston
Joseph Mussro
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Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, wenn ein Fehler in einer Kathodenluftflussrate detektiert wird. Das System und das Verfahren umfassen das Schätzen einer Kathodenluftflussrate und das Detektieren eines Fehlers in der geschätzten Kathodenluftflussrate. Das System und das Verfahren umfassen das Verwenden von Hochfrequenzwiderstandsmessungen von einem Hochfrequenzwiderstandssensor, um eine relative Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels zu regeln, wenn der Fehler in der geschätzten Kathodenluftflussrate detektiert worden ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Fortfahren des Betriebs eines Brennstoffzellensystems, wenn ein Fehler in einer Kathodenluftflussschätzung detektiert wird und insbesondere auf ein Verfahren zum Erhöhen eines Luftflusses durch einen Brennstoffzellenstapel, wenn ein Fehler in einer Kathodenluftflussschätzung detektiert wird und eine minimale Zellspannung unter einen vorbestimmten Schwellenwert abfällt.
  • 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 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 in der Kathode 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 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 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. 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.
  • Wie im Stand der Technik gut verstanden ist, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einer gewissen relativen Feuchtigkeit (RH), so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die relative Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases von dem Brennstoffzellenstapel wird typischerweise geregelt, um die relative Feuchtigkeit der Membranen einzustellen, indem verschiedene Stapelbetriebsparameter, beispielsweise der Stapeldruck, die Temperatur, die Kathodenstöchiometrie und die relative Feuchtigkeit der Kathodenluft in dem Stapel, geregelt werden. Für die Zwecke der Stapellebensdauer ist es wünschenswert, die Zahl der relativen Feuchtigkeitszyklen der Membranen zu minimieren, da ein Durchfahren zwischen RH-Extrema gezeigt hat, dass dies die Membranlebensdauer stark einschränkt. Membran-RH-Durchfahren bewirkt, dass die Membran expandiert und kontrahiert als Ergebnis der Wasserabsorption und eines daraufhin erfolgenden Trocknens. Diese Expansion und Kontraktion der Membran erzeugt Pinholes in der Membran, welche einen Wasserstoff- und Sauerstoff-Cross-Over über die Membran erzeugen, was wiederum ”Hot Spots” erzeugt, welche die Größe des Lochs in der Membran weiter erhöhen, was wiederum deren Lebensdauer reduziert.
  • Wie oben erwähnt kann Wasser als ein Abfallprodukt beim Stapelbetrieb erzeugt werden. Demzufolge beinhaltet das Kathodenabgas aus dem Stapel Wasserdampf und flüssiges Wasser. Es ist im Stand der Technik bekannt, eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) zu verwenden, um Einiges von dem Wasser in dem Kathodenabgas aufzufangen und das Wasser zum Befeuchten des Kathodeneinlassluftflusses zu verwenden. Wasser im Kathodenabgas auf der einen Seite der Membran wird von der Membran absorbiert und zu dem Kathodenluftstrom an der anderen Seite der Membran transferiert.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und einer externen Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenflusskanäle eintreten. Bei einer niedrigen Zellenleistungsanforderung, typischerweise unterhalb 0,2 A/cm2, kann das Wasser innerhalb der Flusskanäle akkumulieren, da die Flussrate an Reaktantengas zu niedrig ist, um das Wasser aus den Kanälen herauszubringen. Wenn das Wasser sich akkumuliert, bilden sich Tröpfchen in den Flusskanälen. Wenn die Größe der Tröpfchen ansteigt, wird der Flusskanal verschlossen und das Reaktantengas wird zu anderen Flusskanälen umgeleitet, da die Kanäle parallel zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern angeordnet sind. Wenn die Tröpfchengröße ansteigt, kann die Oberflächenspannung des Teilchens stärker als der Differenzdruck werden, mit dem man versucht, die Tröpfchen aus dem Abgasverteiler zu drücken, so dass das Reaktantengas nicht durch einen Kanal fließen kann, welcher mit Wasser blockiert ist, wobei das Reaktantengas das Wasser nicht aus dem Kanal herausbringen kann. Diese Flächen der Membran, die kein Reaktantengas empfangen, da der Kanal blockiert ist, werden keine Elektrizität erzeugen, was zu einer inhomogenen Stromverteilung und zu einem Reduzieren der Gesamteffizienz der Brennstoffzelle führt. Da mehr und mehr Flusskanäle von Wasser blockiert sind, sinkt die von der Brennstoffzelle produzierte Elektrizität ab, wobei ein Zellspannungspotential von weniger als 200 mV als ein Zellausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch miteinander in Reihe verschaltet sind, kann der gesamte Brennstoffzellenstapel ausfallen, wenn eine der Brennstoffzellen aufhört, zu arbeiten.
  • Wie oben diskutiert, ist es im allgemeinen notwendig, die Stapelfeuchtigkeit zu regeln, so dass die Membranen in dem Stapel die korrekte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, aber in einer Art, bei der die Flusskanäle nicht von Eis blockiert werden, wenn Wasser während einer Systemabschaltung einfriert. Es ist dem Stand der Technik bekannt, einen RH-Sensor in dem Kathodenlufteinlass eines Brennstoffzellensystems vorzusehen, um die Befeuchtung des Kathodeneinlassgasstroms zu messen, wenn dieser in den Stapel eintritt. Unter Verwendung der im Einlass gemessenen relativen Feuchtigkeit und des Wassergleichgewichts oder der Stoffbilanz des Wassers kann das RH-Profil des Brennstoffzellensystems inklusive des Kathodenluftauslassflusses geschätzt werden.
  • Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) ist eine gut bekannte Eigenschaft von Brennstoffzellen und steht im engen Bezug zu dem ohmschen Widerstand oder dem Protonenwiderstand der Membran der Brennstoffzellmembranen. Der ohmsche Widerstand selber ist eine Funktion des Feuchtigkeitsgrads der Brennstoffzellenmembranen. Demzufolge kann der Feuchtigkeitsgrad der Brennstoffzellenmembranen durch Messen des HFR der Brennstoffzellenmembranen eines Brennstoffzellenstapels innerhalb eines spezifischen Anregungsbandes von Stromfrequenzen gemessen werden. Diese HFR-Messung ermöglicht eine unabhängige Messung der Feuchtigkeit der Brennstoffzellenmembranen, wodurch die Notwendigkeit für RH-Sensoren eliminiert wird.
  • Der gemittelte HFR eines Brennstoffzellenstapels, von Anschluss zu Anschluss, liefert ein gutes Maß für eine mittlere Membranfeuchtigkeit des Stapels, RHavg. Während das Regeln der Membranfeuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von RHavg ausreichend sein kann, um Verbrauchszielvorgaben einzuhalten, ist die Anwesenheit von flüssigem Wasser in den Kathodeneinlassflusskanälen und den Kathodenauslassflusskanälen das, was direkt mit einer schlechten Verlässlichkeit, Lebensdauer und einem Schaden aufgrund von Einfrieren in einem Brennstoffzellensystem korreliert.
  • Massenluftflusssensoren werden typischerweise verwendet, um einen Kathodenluftfluss in einem Brennstoffzellenstapel zu schätzen. Ein Kathodenbypassventil wird typischerweise verwendet, um den Betrag an Kathodenabgas zu regeln, welcher an die WVT-Einheit zum Befeuchten des Kathodeneinlassgases geleitet wird. Wenn das Massenflussmeter und das Kathodenbypassventil normal funktionieren, wird der Gesamtfehler im Kathodenluftfluss klein sein, beispielsweise mit einem Fehler größer als 2% bei einem Kathodenluftfluss von 20–140 g/s und einem Fehler kleiner als 1,5% bei einem Kathodenluftfluss von 2–20 g/s. Wenn Sensoren oder Aktuatoren jedoch in dem Kathodensystem ausfallen, kann dies zu größeren Fehlern in dem Kathodenluftfluss führen. Demzufolge besteht ein Bedürfnis in der Technik, einen Weg bereitzustellen, um mit dem Betrieb des Brennstoffzellensystems fortzufahren, wenn Kathodenluftflussfehler aufgetreten sind, ohne dabei den Brennstoffzellenstapel aufgrund einer schlechten Befeuchtung und/oder eines Betreibens unter einer gewünschten Kathodenstöchiometrie zu beschädigen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung, werden ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug offenbart, wenn ein Fehler in einer Kathodenluftflussrate detektiert wird. Das System und das Verfahren umfassen das Schätzen einer Kathodenluftflussrate und das Detektieren eines Fehlers in der geschätzten Kathodenluftflussrate. Das System und das Verfahren umfassen darüberhinaus das Verwenden von Hochfrequenzwiderstandsmessungen von einem Hochfrequenzwiderstandssensor, um eine relative Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels einzustellen, wenn der Fehler in der geschätzten Kathodenluftflussrate detektiert wurde.
  • 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; und
  • 2 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, wenn ein Kathodenluftflussschätzfehler detektiert wurde.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Fortfahren des Betriebs eines Brennstoffzellensystems gerichtet ist, wenn ein Massenluftflussmesser oder ein Kathodenventil ausgefallen 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 14 liefert einen Luftfluss an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneinlassleitung 16 durch eine Wasserdampftransfereinheit 34 (WVT), welche die Kathodeneinlassluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 18 über ein Druckhalteventil 48, welches das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 34 leitet, ausgelassen, um die Feuchtigkeit zum Befeuchten der Kathodeneinlassluft bereitzustellen. Eine Bypassleitung 36 ist um den Stapel 12 herum angeordnet, um einiges oder alles an Kathodeneinlassluftfluss um den Stapel 12 herumzuleiten. Ein Bypassventil 38 ist in der Bypassleitung 36 angeordnet, wobei die Positionen des Druckhalteventils 48 und des Bypassventils 38 selektiv von einer Steuereinheit 44 eingestellt werden, um den Kathodeneinlassluftfluss durch den Stapel 12 oder um den Stapel 12 herum zu führen, so dass Luft um einen potenziell mit Wasserstoff gefüllten Stapel während eines Starts des Systems 10 umgeleitet werden kann. Mit fortschreitendem Hochfahren wird Luft zunehmend durch den Stapel geführt, bis die Bypassleitung 36 unter Verwendung des Bypassventils 38 geschlossen wird. Ein RH-Sensor 42 wird in der Kathodeneinlassleitung 16 angeordnet, um eine RH-Messung des Kathodeneinlassluftflusses bereitzustellen, nachdem diese von der WVT-Einheit 34 befeuchtet wurde, und um eine RH-Messungseingangsgröße an eine Kathodenbefeuchtungsgradeinheit (CHU) zu liefern, wie unten diskutiert werden wird. Ein Massenluftflussmesser 46 ist ferner in der Kathodeneinlassleitung 16 angeordnet, um eine Massenflussmessung für den Betrag an Kathodeneinlassluftfluss, welcher in den Stapel 12 eintritt, vorzunehmen.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst darüber hinaus eine Quelle 20 mit Wasserstoffbrennstoff oder einem Gas, typischerweise einen Hochdrucktank, die das Wasserstoffgas an ein Injektor 22 liefert, welcher einen eingestellten Betrag an Wasserstoffgas an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anodeneingangsleitung 24 injiziert. Obwohl nicht spezifisch gezeigt, ist es einem Fachmann klar, dass verschiedene Druckregler, Steuerventile, Abschaltventile etc. vorgesehen werden können, um das Hochdruckwasserstoffgas von der Quelle 20 mit einem geeigneten Druck für den Injektor 22 zu liefern. Der Injektor 22 kann jeder für die hier diskutierten Zwecke geeignete Injektor sein.
  • Ein Anodenausflussgas wird von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anodenausgangsleitung 26 ausgelassen, welche mit einem Entlüftungsventil 28 ausgestattet ist. Wie von Fachleuten gut verstanden ist, verdünnt ein Stickstoff-Cross-Over von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 das Wasserstoffgas in der Anodenseite des Stapels 12, was die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 12 beeinträchtigt. Demzufolge ist es notwendig, das Anodenabflussgas periodisch aus dem Anodensubsystem zu entlüften, um den Betrag an Stickstoff in dem Anodensubsystem zu reduzieren, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. Wenn das System 10 in einem normalen Nichtentlüftungsbetrieb arbeitet, befindet sich das Entlüftungsventil 28 in einer Position, bei dem das Anodenabflussgas an eine Rezirkulationsleitung 30 abgegeben wird, welche das Anodengas zu dem Injektor 22 zirkuliert, um diesen als einen Ejektor zu betreiben und das rezirkulierte Wasserstoffgas zurück zu dem Anodeneinlass des Stapels 12 zu führen. Wenn eine Entlüftung befohlen wird, um den Stickstoff in der Anodenseite des Stapels 12 zu reduzieren, wird das Entlüftungsventil 28 eingestellt, um den Anodenausfluss aus der Anodenausgangsleitung 26 zu leiten. Typischerweise wird der Anodenausfluss zu einer Kathodeneingangsleitung oder einer Kathodenabgasleitung geleitet, obwohl dies klarheitshalber nicht gezeigt ist. Obwohl das System 10 ein Anodenrezirkulationssystem ist, findet die vorliegende Erfindung eine Anwendung für andere Arten von Brennstoffzellensystemen, inklusive Anodenflussumkehrsystemen.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Hochfrequenzwiderstands (HFR) Schaltkreis 40, der die Feuchtigkeit der Stapelmembranen der Membranen in dem Stapel 12 bestimmt. Der HFR-Schaltkreis 40 bestimmt den Hochfrequenzwiderstand des Brennstoffzellenstapels 12, wobei ein Hochfrequenzwiderstandssignal an die Steuereinheit 44 geliefert wird und dazu verwendet wird, um die Befeuchtung der Zellmembranen innerhalb des Stapels 12 zu bestimmen. Der HFR-Schaltkreis 40 arbeitet durch Bestimmen des ohmschen Widerstands oder des Protonenwiderstands der Membran des Brennstoffzellenstapels 12 in einer Art, die Fachleuten gut bekannt ist. Ein Membranprotonenwiderstand ist eine Funktion der Membranfeuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels 12. Wenn der Luftfluss, der in die Kathodenseite des Stapels 12 eintritt, ungenau ist, beispielsweise ein Fehler auftritt, der größer als 3% ist, wird das Brennstoffzellensystem 10 einen Luftfluss ausgehend von dem Fehler erhöhen, was im Detail beschrieben werden wird, so dass das Brennstoffzellensystem 10 damit fortfahren kann, zu arbeiten. Die Batterie 32 ist als eine Stromquelle für das Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen, wenn der Stapel 12 nicht genug Leistung erzeugt, um das Brennstoffzellensystem und/oder Fahrzeuglasten zu versorgen. Die Batterie 32 kann Leistung von dem Stapel 12 aufnehmen, um aufgeladen zu werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Wenn eine Kathodenluftflussratenschätzung beispielsweise aufgrund eines Fehlers im Massenluftflussmesser oder dem Kathodenbypassventil 38, welches im offenen Zustand festsitzt, ungenau ist, wird ein Algorithmus, der Teil der Steuerung des Brennstoffzellensystems 10 ist, initiiert. Eine Bestimmung, dass die Kathodenluftflussratenschätzung ungenau ist, kann durch Vergleichen eines Modells ausgehend von einem Stromausgang für einen geschätzten Kathodenluftfluss mit dem Ausgang von dem Massenflussmesser 46 vorgenommen werden. 2 ist ein Flussdiagramm 60 für einen Algorithmus, der es dem Brennstoffzellensystem 10 ermöglicht, damit fortzufahren, unter normalen Betriebsbedingungen zu arbeiten, wenn eine Kathodenluftflussratenschätzung ungenau ist. Der Algorithmus detektiert im Kasten 62, dass die Luftflussratenschätzung ungenau ist. Danach bestimmt der Algorithmus in der Entscheidungsraute 64, ob eine minimale Brennstoffzellenstapelspannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht. Wenn dies nicht der Fall ist, kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 62 zurück. Wenn dies der Fall ist, wird der Algorithmus bewirken, dass das Brennstoffzellensystem 10 mit einem Luftflusssollwert arbeitet, welcher sicherstellt, dass der Luftfluss, der zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geführt wird, größer als ein Luftflussminimum ist. Dieser Luftflusssollwert nimmt den Fehler der Kathodenluftflussratenschätzung in Betracht. Ein Zellspannungsminimum, das unter einen vorbestimmten minimalen Zellspannungsschwellenwert fällt, zeigt an, dass der Brennstoffzellenstapel 12 unter Bedingungen arbeitet, die unterhalb der notwendigen Stöchiometrie für die in der Brennstoffzelle stattfindenden chemischen Reaktionen liegen. Demzufolge wird ein Kathodenstöchiometriesollwertgenerator von der Steuereinheit 44 die Standardabweichung für die Fehlerschätzung, die von dem Kathodenluftfehlerschätzalgorithmus an das Steuergerät 44 versendet wird, ignorieren, während weiterhin versucht wird, eine normale Kathodenstöchiometriesteuerung vorzunehmen, bis ein Fehler in dem Massenluftflussmesser 46 bestimmt oder das Bypassventil 38 als festsitzend geöffnet bestimmt wird. Wenn eine dieser Bedingungen vorliegt, wird der Sollwertgenerator von der Steuereinheit 44 damit fortfahren, die Fehler im Kathodenluftfluss zu ignorieren, bis eine minimale Zellspannung unter den vorbestimmten minimalen Zellspannungsschwellenwert fällt. Beispielsweise kann der minimale Zellspannungsschwellwert vorliegen, wenn eine minimale Zellspannung unter 300 mV von einer mittleren Zellspannung abfällt.
  • Sobald der minimale Zellspannungsschwellwert in der Entscheidungsraute 64 erreicht würde, nimmt der Algorithmus eine Maßnahme vor, um eine Kathodenverarmung zu verhindern. Zu diesem Punkt bestimmt der Algorithmus eine minimale Kathodenstöchiometrie, die dazu benötigt wird, um eine gewünschte Stromdichte im Kasten 66 zu ziehen. Ein Beispiel kann eine Kathodenstöchiometrie von 1,4 sein. Im Kasten 66 bestimmt der Algorithmus den minimalen Kathodenluftfluss, der notwendig ist, durch Multiplizieren der geschätzten Standardabweichung der Luftmassenflussrate mit einem Faktor, um den Gesamtfehler zu bestimmen. Beispielsweise kann eine anfängliche Schätzung darin liegen, den Fehler als drei Standardabweichungen zu bestimmen, was 99,7% aller Kathodenluftflussschätzungsfehlerfälle umfassen würde. Das Subtrahieren von drei Standardabweichungen von einer gemessenen Luftflussrate gibt eine minimale Flussrate, die den geschätzten Fehler in Betracht zieht. Die minimale Flussratenschätzung muss größer sein als das, was zu der minimalen zulässigen Kathodenstöchiometrie korrespondiert, um die Bedingungen für die minimale Zellspannung zu korrigieren. Wenn die minimale Flussschätzung nicht die minimale Zellspannung korrigiert, wird der Kathodenstöchiometriesollwert derart erhöht, so dass der minimale Fehler größer als die gewünschte Flussrate ist. Die Erhöhung in dem Kathodenluftfluss im Kasten 66, d. h. die Kathodenstöchiometriekorrektur, wird verwendet, bis die Kathodenluftflussschätzfehlerausfallsbedingung aufgeklärt ist.
  • Die Luftflussrate ist eine der größten Teilnehmer für die Stapelauslassbefeuchtung mit einem großen Einfluss auf Eingänge und Ausgänge auf eine Kathodenbefeuchtungseinheit (CHU) Modell für die Steuereinheit 44. Luft Flussratenfehler sind wahrscheinlich größer als 25%, d. h., das CHU-Modell wird nicht länger prädiktiv sein, wenn ein Kathodenluftflussschätzfehler auftritt. Demzufolge wird eine Hochfrequenzwiderstands (HFR) Rückkopplung von dem HFR-Schaltkreis 40 verwendet, um im Kasten 68 die Feuchtigkeit zu regeln, losgelöst von der minimalen Zellspannungsbedingung, wenn ein Kathodenluftflussratenschätzfehler im Kasten 62 detektiert wird. Insbesondere wird HFR dazu verwendet, um die Feuchtigkeit im Kasten 68 zu regeln, wenn das Bypassventil 38 länger als für einen vorbestimmten Schwellenwert geöffnet wird oder wenn ein Luftmassenflussmesserfehler 46 detektiert wird.
  • Um die HFR-Sensitivität des HFR-Schaltkreises 40 zu maximieren, wird der Brennstoffzellenstapel 12 unter Sollwertbedingungen betrieben, die trockener sind als normal. Andererseits wäre die Steuereinheit 44 nicht in der Lage, die gewünschten Feuchtigkeitssollwerte des Brennstoffzellenstapels 12 zu differenzieren, beispielsweise 75–90% relative Feuchtigkeit (RH) von einer viel nasseren Bedingung, welche eine Instabilität des Stapels 12 bewirken könnte. Demzufolge verwendet die Steuereinheit 44 RH-Sollwerte, die HFR-Werte ergeben, die zumindest 10 Milliohm pro Quadratzentimeter weg von der oben diskutierten nassen Asymptote sind. So ein kontinuierlich gefahrener Trockenbetrieb des Stapels 12 schließt jedoch jegliche HFR basierende Widerstandslernfunktion aus, wie sie im Detail in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Seriennummer 12/262,212 mit dem Titel ”Online Schätzung von Kathodeneinlass und -auslass RH aus einer gemittelten Stapel HFR”, angemeldet am 19.11.2009 auf den Anmelder dieser Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, diskutiert wurde. Ohne ein HFR-Widerstandslernen kann die Feuchtigkeitsregelung unter Verwendung einer HFR im Kasten 68 schlecht werden, wenn der Stapel 12 vorher eine Luft/Luft-Bedingung erfahren hat, was die wiedergewinnbare HFR-Drift zurücksetzt.
  • Über dem Bereich des Luftflussratensollwertes wird das Verhalten, das das Brennstoffzellensystem 10 aufweisen könnte, um den Stapel 12 außerhalb der Bedingungen zu halten, welche ein ernsthaftes Austrocknen bewirken könnte, aufweisen. Bei niedriger Stromdichte und demzufolge einer niedrigen Luftflussrate gehen die Kathodenluftflussfehler auf die höchsten Werte. In bestimmten Fällen kann der Fehler +/–100% von dem gemessenen Kathodenluftfluss betragen. Demzufolge steigert der Algorithmus die minimale Last, die an das Brennstoffzellensystem 10 angelegt werden kann, auf einen vorbestimmten minimalen Lastschwellwert, beispielsweise kleiner gleich 0,1 A/Quadratzentimeter im Kasten 70. Dies ist das minimale Erfordernis, welches das Fahrzeug einhalten muss.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 verlässt sich auf die Batterie 32, um die Lasten, die unterhalb des vorbestimmten Schwellenwerts liegen, zu versorgen, beispielsweise unterhalb 0,1 A/Quadratzentimeter. Wenn der Ladezustand der Batterie 32 beispielsweise 90% des maximal ausgelegten Ladezustands ist, kann der Algorithmus den Brennstoffzellenstapel 12 abschalten und das Fahrzeug kann mit der Batterieleistung fahren. Wenn der Ladezustand der Batterie 32 niedrig ist, beispielsweise innerhalb 20% des ausgelegten Minimalentladungszustands, kann der Algorithmus den Brennstoffzellenstapel 12 an seinem effizientesten Punkt betreiben, um die Batterie 32 aufzuladen, bis der Ladezustand der Batterie 32 oberhalb eines vorbestimmten Ladezustandsschwellwerts liegt, beispielsweise bei ungefähr 100%. Der effizienteste Betriebspunkt für den Stapel 12 kann dort liegen, wo das Kathodenluftflussratenmodell seinen höchsten Vertrauenspunkt aufweist.
  • Unter Verwendung des oben diskutierten Algorithmus kann das Brennstoffzellensystem 10 damit fortfahren, weiterbetrieben zu werden, wenn der Massenluftflussmesser 46 oder das Kathodenbypassventil 38 ausgefallen sind, obwohl es erwartet wird, dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 10 und/oder des Fahrzeugs reduziert werden wird.
  • 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 nichtflüchtige 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 Betreiben eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellsystems in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren umfasst: – Schätzen einer Kathodenluftflussrate; – Detektieren eines Fehlers in der geschätzten Kathodenluftflussrate; – Bestimmen, ob ein vorbestimmter minimaler Zellspannungsschwellenwert für die Spannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel erreicht worden ist; – Einstellen der Kathodenluftflussrate auf den Brennstoffzellenstapel, um größer zu sein als ein geschätzter minimaler Kathodenluftflussratenschwellenwert, wenn die vorbestimmte minimale Zellspannung erreicht worden ist; und – Verwenden von Hochfrequenzwiderstandsmessungen von einem Hochfrequenzwiderstandssensor, um eine relative Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels zu regeln, wenn der Fehler in der geschätzten Kathodenluftflussrate detektiert worden ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Erhöhen einer minimalen Last, die an das Brennstoffzellensystem angelegt werden kann, sobald der Fehler der geschätzten Kathodenluftflussrate detektiert worden ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Erhöhen der minimalen Last das Laden einer Batterie des Brennstoffzellensystems umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend das Versetzen des Brennstoffzellenstapels in einen Leerlaufbetrieb oder einen abgeschalteten Betrieb und das Betreiben des Fahrzeugs unter Verwendung einer Batterieleistung, wenn ein Ladezustand der Batterie ungefähr 100% beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der geschätzte minimale Kathodenluftflussratenschwellenwert durch Definieren des Fehlers durch Multiplizieren einer geschätzten Standardabweichung der Luftmassenflussrate, die von einem Kathodenluftfehlerschätzalgorithmus gesendet wird, mit einem vorbestimmten Faktor bestimmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend das Erhöhen des minimalen Kathodenluftflussratenschwellenwerts bis die minimale Zellspannung über den vorbestimmten minimalen Zellspannungsschwellenwert ansteigt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend das Aufrechterhalten der erhöhten minimalen Kathodenluftflussrate, bis die detektierte Kathodenluftflussratenschätzungsfehlerbedingung aufgeklärt ist.
  8. Ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, wobei das System umfasst: – eine Steuereinheit die umfasst: – Mittel zum Schätzen einer Kathodenluftflussrate; – Mittel zum Detektieren eines Fehlers in der geschätzten Kathodenluftflussrate; und – Mittel zum Verwenden von Hochfrequenzwiderstandsmessungen eines Hochfrequenzwiderstandssensors, um eine relative Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels zu regeln, wenn der Fehler in der geschätzten Kathodenluftflussrate detektiert worden ist.
  9. System nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend Mittel zum Bestimmen, ob ein vorbestimmter minimaler Zellspannungsschwellenwert der Spannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel erreicht worden ist, wobei die Kathodenluftflussrate zu dem Brennstoffzellenstapel so eingestellt wird, um über einen geschätzten minimalen Kathodenluftflussratenschwellenwert zu liegen, wenn der vorbestimmte minimale Zellspannungsschwellenwert erreicht worden ist.
  10. System nach Anspruch 8, des Weiteren umfassend das Erhöhen einer minimalen Last, die an das Brennstoffzellensystem angelegt werden kann, sobald ein Fehler in einer geschätzten Kathodenluftflussrate detektiert worden ist.
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