DE102014213870A1 - Technik zum diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Technik zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels bereitgestellt. Insbesondere werden Strom und Spannung eines Brennstoffzellenstapels während des Fahrens eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemessen und Strom und Spannung werden sequentiell gespeichert. Auf Basis des gespeicherten Stroms wird dann bestimmt, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird. Verschiedene Faktoren werden in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, analysiert, und dann wird bestimmt, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet. Die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel wird berechnet, wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet. Auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr wird diagnostiziert, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels, das die Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessern kann.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Ein Brennstoffzellenfahrzeug enthält typischerweise einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine als Energiequelle dienende Mehrzahl Brennstoffzellen übereinander gestapelt sind, ein Brennstoffzuführsystem zur Zufuhr von Wasserstoff oder dgl. als Brennstoff zum Brennstoffzellenstapel, ein Luftzuführsystem zur Zufuhr von Sauerstoff als Oxidationsmittel, das für eine elektrochemische Reaktion erforderlich ist, und ein Wasser- und Wärme-Managementsystem zum Steuern der Temperatur des Brennstoffzellenstapels.
  • Das Brennstoffzuführsystem entspannt den komprimierten Wasserstoff in einem Wasserstofftank und liefert den entspannten Wasserstoff an die Brennstoffelektrode (Anode) des Stapels, und das Luftzuführsystem liefert von einem Luftgebläse angesaugte Außenluft und führt der Luftelektrode (Katode) des Stapels Luft zu.
  • Wenn der Brennstoffelektrode des Stapels Wasserstoff oder dgl. und Sauerstoff der Luftelektrode zugeführt wird, werden von der Brennstoffelektrode Wasserstoffionen über eine katalytische Reaktion getrennt. Die getrennten Wasserstoffionen bewegen sich durch eine Elektrolytmembran zur Oxidationselektrode, bei der es sich um die Luftelektrode handelt. In der Oxidationselektrode bewirken die von der Brennstoffelektrode getrennten Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff eine elektrochemische Reaktion, durch die elektrische Energie erzeugt wird. Im Einzelnen findet die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff in der Brennstoffelektrode und die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff in der Luftelektrode statt, elektrischer Strom und Wärme werden aufgrund der bei einer derartigen und Reduktion verursachten Bewegung der Elektronen erzeugt, und Wasser und Dampf bilden sich durch eine chemische Aktion, bei der sich Wasserstoff und Sauerstoff verbinden.
  • Zum Abführen von Nebenprodukten wie Dampf, Wasser und Wärme, die bei der Erzeugung der elektrischen Energie eines Brennstoffzellenstapels entstehen, sowie von Wasserstoff und Sauerstoff die nicht an der Reaktion beteiligt sind, ist häufig eine Abführeinrichtung vorgesehen, und Gase wie Dampf, Wasserstoff und Sauerstoff werden über einen Abgaskanal in die Atmosphäre ausgeleitet.
  • In einem solchen System sind Komponenten wie ein Luftgebläse, ein Wasserstoff-Umwälzgebläse und eine Wasserpumpe, die zum Betreiben einer Brennstoffzelle erforderlich sind, mit einem Hauptbusterminal verbunden und ermöglichen das Starten der Brennstoffzelle. Außerdem können verschiedene Relaistypen zum Unterbrechen und Anlegen der Spannung sowie eine Diode zum Verhindern eines Gegenstroms in die Brennstoffzelle ebenfalls an das Hauptbusterminal angeschlossen werden.
  • Die vom Luftgebläse zugeführte trockene Luft wird von einem Befeuchter angefeuchtet und der Katode (Luftelektrode) des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Das Abgas der Katode kann wegen der darin enthaltenen Wasseranteile im angefeuchteten Zustand dem Befeuchter zugeführt werden, um die der Katode zur Befeuchtung der über das Luftgebläse zuzuführende trockenen Luft zu befeuchten.
  • Bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln ist bekannt, dass sie empfindlich auf Betriebsbedingungen reagieren, d. h. Außenlufttemperatur, Kühlmitteltemperatur, genutzter Strom usw. Diese bestimmen ihren Zustand und ihre Leistung. Wenn das Fahrzeug bei ungünstigen oder schlechten Betriebsbedingungen ständig gefahren wird, verliert der Brennstoffzellenstapel rasch an Leistung und damit nimmt die erforderliche Leistung, die dem Fahrer bereitgestellt wird, ab. Als Ergebnis verschlechtert sich langfristig die Lebensdauer des Stapels und das Ergebnis ist eine verkürzte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
  • Normalerweise wird Austrocken des Stapels häufig durch zwei Faktoren verursacht, wobei der eine auf hohe Temperaturen und hohe Leistungsbedingungen und der andere auf niedrige Leistungsbedingungen zurückzuführen ist. Austrocknen bei hohen Temperaturen und hoher Leistung tritt häufig ein, wenn das Wärmegleichgewicht im Innern des Stapels verlorengeht. Austrocken bei niedriger Leistung dagegen tritt ein, wenn die Luft zu stark aufgeladen ist.
  • Ungeachtet der Ursache eines auftretenden Austrocknens des Brennstoffzellenstapels nimmt die Leistung des Brennstoffzellenstapels ab und bis zur Rückkehr zur Normalleistung vergeht viel Zeit. Es besteht deshalb die Notwendigkeit, eine bestehende Austrocknungssituation des Brennstoffzellenstapels zu erfassen und das Brennstoffzellensystem so zu steuern, dass bei Feststellung einer Austrocknungssituation eine Stapelwiederherstellungsoperation ausgeführt wird und sich der Brennstoffzellenstapel unverzüglich wieder erholen kann.
  • Einige bekannte Verfahren zur Bestimmung des Austrocknens eines Brennstoffzellenstapels sind u. a. das Stromunterbrechungs-(CI)Verfahren und das elektrochemische Impedanz-Spektroskopie-(EIS)Verfahren. Solche Verfahren haben jedoch deshalb Nachteile, weil diese Verfahren in Echtzeit während des Fahrzeugbetriebs schwer anzuwenden sind, da sie ein spezifisches Stromband nutzen, und außerdem Hochleistungs-Hardware (und teure) installiert werden muss, wodurch das Verfahren bei niedrigpreisigen Fahrzeugen schwer durchzusetzen ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Deshalb wurde die vorliegende Erfindung unter dem Gesichtspunkt der obigen Probleme im Stand der Technik erarbeitet, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels, die die Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels erfassen, die auf Austrocknen oder die langfristige Verschlechterung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zurückzuführen sind, und die als Ergebnis eine Wiederherstellungsoperation ausführen.
  • Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels bereit, die enthalten: Messen des Stroms und der Spannung eines Brennstoffzellenstapels durch einen Prozessor während des Betriebs eines Brennstoffzellenfahrzeugs und sequentielles Speichern des Stroms und der Spannung in einem Speicher; Bestimmen auf Basis des im Speicher gespeicherten Stroms, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, durch den Prozessor; Analysieren verschiedener Faktoren in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, durch den Prozessor und als Reaktion darauf Bestimmen, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet; Berechnen der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel, wenn der Prozessor bestimmt, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet, durch den Prozessor; und Diagnostizieren auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr, ob sich der Brennstoffzellenstapel in einem Austrocknungszustand befindet, durch den Prozessor.
  • Außerdem kann bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Bestimmung, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom gefahren wird, die Konfiguration des Prozessors zur Bestimmung auf Basis der Schwankung des gespeicherten Stroms enthalten, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom gefahren wird.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, vorzugsweise die Konfiguration des Prozessors enthalten, dass er bei Bestimmung des Prozessors, dass das Fahrzeug nicht bei konstantem Strom gefahren wird, einen internen Widerstand aus einer Beziehung zwischen dem im Speicher gespeicherten Strom und der Spannung berechnet und bestimmt, ob der berechnete interne Widerstand höher ist als ein voreingestellter Referenzwiderstand. Damit kann bei manchen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Berechnung der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel erfolgen, wenn der berechnete interne Widerstand höher ist als der voreingestellte Referenzwiderstand.
  • Ferner kann die Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, die Konfiguration des Prozessors enthalten, dass dann, wenn der Prozessor bestimmt, dass das Fahrzeug bei konstantem Strom gefahren wird, die Messung der Schwankung des Ausgangsspannungspegels des Brennstoffzellenstapels und die Bestimmung erfolgen, ob die gemessene Schwankung des Ausgangsspannungspegels größer ist als eine voreingestellte Schwankung. Damit kann bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Berechnung der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel erfolgen, wenn die gemessene Schwankung des Ausgangsspannungspegels größer ist als eine voreingestellte Schwankung.
  • Vorzugsweise kann die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel durch Integrieren eines übermäßigen oder zu geringen Feuchtigkeitsgehalts über eine vorgegebene Zeitspanne berechnet werden. Insbesondere kann ein übermäßiger oder zu geringer Feuchtigkeitsgehalt auf Feuchtigkeitszufuhr, Feuchtigkeitsabfuhr und Feuchtigkeitsgehalt basieren, der durch eine chemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel entsteht.
  • Bei weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält die Diagnose, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, die Konfiguration des Prozessor zum Diagnostizieren, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, wenn die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel größer ist als eine voreingestellte Feuchtigkeitszufuhr, und zum Diagnostizieren, dass sich der Zustand des Brennstoffzellenstapels verschlechtert hat, wenn die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel geringer ist als eine voreingestellte Feuchtigkeitszufuhr.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:
  • 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2A und 2B Graphen, die die Beziehungen zwischen dem internen Feuchtigkeitsgehalt und dem internen Widerstand eines Brennstoffzellenstapels und dem Austrocknungszustand des Brennstoffzellenstapels des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 3 einen Graphen, der die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel, den internen Widerstand des Brennstoffzellenstapels und die Bestimmung des dadurch bedingten Austrocknens sowie Schwankungen der Feuchtigkeitszufuhr und des internen Widerstands in Abhängigkeit von der Wiederherstellungsoperation des Brennstoffzellenstapels des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 4 einen Graphen, der Schwankungen des Pegels der Ausgangsspannung während des Fahrens bei konstantem Strom des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bestimmte strukturelle oder funktionelle Beschreibungen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung offenbart werden, sollen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft beschreiben, und die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf verschiedene Weise implementiert werden und sollten nicht dahingehend interpretiert werden, dass sie die obigen in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen einschränken.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf verschiedene Weise modifiziert werden und verschiedene Formen haben, so dass in den Zeichnungen spezifische Ausführungsformen dargestellt und in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung ausführlich beschrieben werden. Es versteht sich jedoch, dass diese Ausführungsformen die Ausführungsformen auf Basis des Konzepts der vorliegenden Erfindung nicht auf spezifische Offenbarungsformen beschränken sollen und dass sie sämtliche Änderungen, Äquivalente oder Modifikationen enthaften, die von Geist und Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung erfasst sind.
  • Die Begriffe wie ”erster, erste, erstes” und ”zweiter, zweite, zweites” können zur Beschreibung verschiedener Bauteile verwendet werden, aber diese Bauteile sollten durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden. Die Begriffe dienen nur dazu, ein Bauteil gegenüber anderen Bauteilen zu unterscheiden. Ein erstes Bauteil kann als zweites Bauteil und ein zweites Bauteil analog als erstes Bauteil bezeichnet werden, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Im Rahmen der gesamten Beschreibung versteht es sich, dass die Formulierung, ein erstes Bauteil ist mit einem zweiten Bauteil ”verbunden” oder ”gekoppelt”, den Fall einschließen kann, in dem das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil verbunden oder gekoppelt ist, wobei jedoch ein drittes Bauteil dazwischen vorgesehen sein kann, sowie den Fall, in dem das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil ”direkt verbunden” oder ”direkt gekoppelt” ist. Dagegen versteht es sich, dass die Formulierung, ein erstes Bauteil ist mit einem zweiten Bauteil ”direkt verbunden” oder ”direkt gekoppelt”, bedeutet, dass kein Bauteil zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil angeordnet ist.
  • Andere Formulierungen, die die Beziehungen zwischen Bauteilen beschreiben, also ”zwischen” und ”unmittelbar zwischen” oder ”neben” und ”unmittelbar neben” sind ähnlich zu interpretieren.
  • Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe dienen nur zur Beschreibung spezifischer Ausführungsformen und sollen die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Singularformen umfassen auch Pluralformen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig das Gegenteil angibt. Bei der vorliegenden Beschreibung versteht es sich, dass die Begriffe ”enthaften” oder ”haben” nur das Vorhandensein von Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Bauteilen, Einzelteilen oder Kombinationen derselben angeben, aber nicht die Möglichkeit ausschließen sollen, ein oder mehrere andere Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Bauteile, Einzelteile oder Kombinationen derselben vorhanden sind oder hinzugefügt werden.
  • Alle hierin verwendeten Begriffe einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe haben die gleiche Bedeutung wie die, die dem Durchschnittsfachmann geläufig sind, an den sich die vorliegende Erfindung wendet, sofern sie nicht auf eine andere Weise definiert sind. Begriffe, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, sollten in der gleichen Weise verstanden werden wie in Zusammenhang mit der einschlägigen Technologie und dürfen nicht in einer idealen oder übermäßig formalen Bedeutung interpretiert werden, sofern sie nicht eindeutig anderweitig definiert sind.
  • Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedener Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeuge, Elektro-Brennstoffzellenfahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und alle anderen Typen von Brennstoffzellenfahrzeugen umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
  • Außerdem versteht es sich, dass die folgenden Verfahren von mindestens einer Steuerung ausgeführt werden. Der Begriff Steuerung bezieht sich auf ein Hardware-Gerät, das einen Speicher und einen Prozessor enthält, der zur Ausführung eines oder mehrerer Schritte konfiguriert ist, die als algorithmische Struktur zu verstehen sind. Der Speicher ist zum Speichern algorithmischer Schritte konfiguriert und der Prozessor ist speziell zur Ausführung der algorithmischen Schritte für die Ausführung eines oder mehrerer Prozesse konfiguriert, die später beschrieben werden.
  • Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium mit ausführbaren Programmanweisungen, die von einem Prozessor, einer Steuerung und dgl. ausgeführt werden, verwirklicht sein. Beispiele für computerlesbare Medien, aber nicht darauf beschränkt, sind u. a. ROMS, RAMs, Compact Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, USB-Sticks, Smart Cards und optische Datenspeichergeräte. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in netzgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. von einem Telematik-Server oder einem Controller Area Network (CAN).,
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In den verschiedenen Zeichnungen dienen identische Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnliche Komponenten.
  • 1 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in einer Steuerung implementiert und ausgeführt werden kann, die mindestens einen Prozessor und einen Speicher enthält. Das Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Messung von Strom und Spannung des Brennstoffzellenstapels während des Fahrens des Brennstoffzellenfahrzeugs durch einen Prozessor enthalten, der z. B. mit einem Sensor verbunden ist, und das sequentielle Speichern von Strom und Spannung, die Bestimmung durch den Prozessor auf Basis des im Speicher gespeicherten Stroms, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, und die Analyse verschiedener Faktoren in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, durch den Prozessor, und die Bestimmung durch den Prozessor, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet. Wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet, wird die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel vom Prozessor berechnet, und ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, wird auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr vom Prozessor diagnostiziert.
  • Während des Betriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs können Strom und Spannung des Brennstoffzellenstapels in Schritt S101 in einer Warteschlange mit vorgegebener Größe in einem Speicher gespeichert werden. Die Größe der Warteschlange kann unter Berücksichtigung der Genauigkeit der Analyse der Strom- und Spannungswertdaten und der Speicherkapazität der Steuerung im Brennstoffzellenfahrzeug festgelegt werden.
  • Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug aktuell bei konstantem Strom betrieben wird, wird die Schwankung des Pegels der Ausgangsspannung in Schritt S109 gemessen. Der Prozessor analysiert dann, ob die Schwankung des Ausgangsspannungspegels größer ist als eine voreingestellte Schwankung. Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug aktuell nicht bei konstantem Strom betrieben wird, kann der Prozessor auf Basis der in Schritt S105 gespeicherten ursprünglichen Ausgangsspannung dann bestimmen, ob eine langfristige Verschlechterung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels eingetreten ist. Danach kann eine Strom-Ausgangsspannungskennlinie als Ergebnis dieser Daten in Schritt S107 analysiert werden. Die Schwankung des Ausgangsspannungspegels wird mit einer voreingestellten Schwankung verglichen und analysiert, und der interne Widerstand oder dgl. wird auf Basis der Strom-Ausgangsspannungskennlinie analysiert, und damit kann der aktuelle Zustand des Brennstoffzellenstapels kann in Schritt S111 bestimmt werden. Das heißt, der Prozessor bestimmt, ob das Brennstoffzellenfahrzeug aktuell bei konstantem Strom betrieben wird, und verschiedene Faktoren (z. B. interner Widerstand oder Ausgangsspannungspegel, die auf Basis von Strom und Ausgangsspannung berechnet werden) werden auf Basis der Bestimmungsergebnisse analysiert, und damit kann in Schritt S111 bestimmt werden, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet.
  • Die Bestimmung, ob das Brennstoffzellenfahrzeug aktuell bei konstantem Strom betrieben wird, kann auf Basis der Varianz des in Schritt S103 gespeicherten Stroms erfolgen. Die Varianz des in der Warteschlange gespeicherten Stroms wird berechnet, und die Bestimmung erfolgt so, dass dann, wenn die Varianz des Stroms klein ist (z. B. kleiner als ein definierter Wert), bestimmt werden kann, dass das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, während bei einer großen Varianz des Stroms (z. B. größer als der definierte Wert) bestimmt werden kann, dass das Fahrzeug nicht bei konstantem Strom betrieben wird. Der Betrag der Varianz kann wahlweise auf der Basis bestimmt werden, ob die Varianz in einem definierten Varianzenbereich liegt, in dem Fahren bei konstantem Strom bestimmt werden kann. Das heißt, wenn die Varianz im festgelegten definierten Varianzenbereich liegt, kann bestimmt werden, dass das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, während bei einer Varianz außerhalb des festgelegten Bereichs bestimmt wird, dass das Fahrzeug nicht bei konstantem Strom betrieben wird.
  • Durch Laden einer gespeicherten ursprünglichen Spannung Vo kann das Ausmaß der Verschlechterung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels in Schritt S105 bestimmt werden. Die Kennlinie des Brennstoffzellenstapels kann durch die Gleichung V = Vo – blog(I) – RI angegeben werden, wobei V die aktuelle Ausgangsspannung, I den aktuellen Strom und R den internen Widerstand bedeuten. Bei der Strom-Ausgangsspannungskennlinie bezeichnet Vo die ursprüngliche Spannung als Wert auf dem y-Achsenabschnitt.
  • Das heißt, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug aktuell nicht bei konstantem Strom betrieben wird, kann der Fall, in dem die Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels nicht durch vorübergehendes Austrocknen verursacht wird, auf Basis des Wertes Vo ausgeschlossen werden, der beim vorigen Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeug berechnet wurde. Das heißt, die kurzfristige und die langfristige Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels können voneinander in gewissem Maße unterschieden werden.
  • Die Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, ist durch die Berechnung des internen Widerstands R aus der Beziehung zwischen Strom und Spannung, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug nicht bei konstantem Strom betrieben wird, und die Bestimmung, ob der berechnete interne Widerstand höher ist als ein voreingestellter Referenzwiderstand, möglich. Das heißt, wenn der berechnete interne Widerstand höher ist als der Wert des Referenzwiderstands, kann bestimmt werden, dass sich die Ausgangsleistung verschlechtert hat, während bei einem niedrigeren berechneten internen Widerstand als der Wert des voreingestellten Referenzwiderstands die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels dem Normalzustand (d. h. dem Normalbetrieb) entspricht.
  • Die Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, kann durch Messen der Schwankung des Ausgangsspannungspegels des Brennstoffzellenstapels im Fall des Fahrens bei konstantem Strom und die Bestimmung, ob die gemessene Schwankung des Spannungspegels größer ist als eine voreingestellte Schwankung erfolgen. Das heißt, es kann bestimmt werden, dass dann, wenn die gemessene Schwankung des Spannungspegels größer ist als die voreingestellte Schwankung, sich die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels verschlechtert hat. Wenn jedoch die gemessene Schwankung des Spannungspegels kleiner ist als die voreingestellte Schwankung, entspricht die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels dem Normalzustand, in dem sich die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels nicht verschlechtert hat. Dies zeigt der Graph in 4. Das heißt, selbst wenn der Strom des Brennstoffzellenstapels gleich bleibt, wenn die Ausgangsspannung abnimmt, ist dies auf eine Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels zurückzuführen.
  • Wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet, das heißt, wenn der interne Widerstand höher ist als der voreingestellte Widerstand, oder wenn die während des Fahrens bei konstantem Strom gemessene Schwankung des Spannungspegels größer ist als die voreingestellte Schwankung, wird die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel berechnet, und in Schritt S113 kann bestimmt werden, ob die Feuchtigkeitszufuhr unzureichend ist. Das heißt, wenn sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet, wird die Feuchtigkeitszufuhr zum Brennstoffzellenstapel berechnet. Wenn die Feuchtigkeitszufuhr unzureichend ist, kann der Prozessor in Schritt S115 diagnostizieren, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet. Das heißt, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, kann in Schritt S115 auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr diagnostiziert werden. Selbst wenn sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet, kann bei ordnungsgemäßer Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel in Schritt S117 diagnostiziert werden, dass sich die Leistung des Brennstoffzellenstapels aufgrund einer Vergiftung der Anode oder dgl. verschlechtert hat.
  • Die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel wird durch Integrieren des übermäßigen oder unzureichenden Feuchtigkeitsgehalts über eine vorgegebene Zeitspanne berechnet, und dieser übermäßige oder unzureichende Feuchtigkeitsgehalt kann ermittelt werden, indem die Feuchtigkeitszufuhr, die Feuchtigkeitsabfuhr und der Feuchtigkeitsgehalt aufgrund einer chemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel kollektiv berücksichtigt werden. Wenn die Feuchtigkeitszufuhr unzureichend ist und der Austrocknungszustand für den Brennstoffzellenstapel diagnostiziert wird, kann eine Ansteuerung zur Wiederherstellung des Brennstoffzellenstapels ausgeführt werden.
  • Die 2A und 2B sind Graphen, die die Beziehungen zwischen dem internen Feuchtigkeitsgehalt und dem internen Widerstand eines Brennstoffzellenstapels und dem Austrocknungszustand des Brennstoffzellenstapels darstellen. Von den 2A und 2B zeigt 2A die Beziehung zwischen der internen Feuchtigkeitsgehalt und dem internen Widerstand eines Brennstoffzellenstapels im Normalzustand und im Austrocknungszustand und 2B zeigt die Beziehung zwischen der internen Feuchtigkeitsgehalt und dem internen Widerstand des Brennstoffzellenstapels im Austrocknungszustand und den Austrocknungszustand des Brennstoffzellenstapels. In 2A zeigt ein durch einen Kreis markierter Abschnitt des Graphen einen Zustand, in dem der Feuchtigkeitsgehalt im Stapel gering und der interne Widerstand hoch ist. Wie jedoch aus dem Graphen ersichtlich ist, ist in diesen Fällen der Feuchtigkeitsgehalt im Stapel gering und der interne Widerstand ist ebenfalls niedrig, so dass der Brennstoffzellenstapel zu diesem Zeitpunkt als im Normalzustand befindlich betrachtet werden kann. Da wie 2B dargestellt der Feuchtigkeitsgehalt im Stapel gering und der interne Widerstand hoch ist und somit im markierten Abschnitt des Graphen liegt, kann der Brennstoffzellenstapel zu diesem Zeitpunkt als im Austrocknungszustand befindlich betrachtet werden.
  • 3 ist ein Graph, der die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel, den internen Widerstand des Brennstoffzellenstapels und die Bestimmung des Austrocknens aufgrund dieser Faktoren zeigt. Außerdem sind Schwankungen der Feuchtigkeitszufuhr und des internen Widerstands in Abhängigkeit von der Wiederherstellungsoperation des Brennstoffzellenstapels dargestellt. Wenn wie in 3 dargestellt die Feuchtigkeitszufuhr in den Stapel unzureichend ist und der interne Widerstand des Brennstoffzellenstapels zunimmt, wird bestimmt, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet. Wenn dann eine Stapel-Wiederherstellungsoperation vom Steuerungs/Brennstoffzellensystem ausgeführt wird, wird die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel reduziert und der interne Widerstand wird ebenfalls niedriger. Als Ergebnis kann der Brennstoffzellenstapel in den Normalzustand zurückkehren.
  • 4 ist ein Graph, der die Schwankungen des Pegels der Ausgangsspannung bei Betrieb mit konstantem Strom zeigt. Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug wie oben beschrieben bei konstantem Strom betrieben wird, werden Schwankungen des Pegels der Ausgangsspannung festgestellt und somit kann bestimmt werden, ob Brennstoffzellenstapel aktuell im Normalzustand betrieben wird. Wenn das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, kann eine Situation eintreten, in der die Bedingung der Dauererregung Persistence of Excitation (PE) der Strom-Spannungsdaten nicht erfüllt ist, so dass die Strom-Spannungsdaten nicht analysiert werden können. Deshalb kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Analysieren der Schwankungen des Ausgangsspannungspegels während des Betriebs bei konstantem Strom effektiv diagnostiziert werden. Da in der Vergangenheit nur eine Spannung für einen bestimmten Strom überwacht worden ist, war es unmöglich, den Stapel zu diagnostizieren, wenn der entsprechende Strom nicht genutzt wurde. Im Gegensatz dazu kann die vorliegende Erfindung kontinuierlich diagnostizieren, ob sich ein Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, ganz gleich, ob Strom in Anspruch genommen wird oder nicht, weil kein bestimmter Strom ausgewiesen wird, und stattdessen die Spannungsschwankung kontrolliert werden kann.
  • Wie oben beschrieben ist ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, weil es den Zustand des Brennstoffzellenstapels diagnostizieren kann, wobei nur die Strom-Spannungsdaten verwendet werden, wie während des Betriebs eines Brennstoffzellenfahrzeugs erfasst werden, ohne einen Sensor mit hoher Auflösung und hoher Abtastfrequenz und ein Datenanalysegerät zu verwenden. Ferner ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil die Strom-Spannungsdaten in Echtzeit analysiert werden, so dass einer Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels unverzüglich entgegengewirkt werden kann. Ferner ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil das Ausmaß einer langfristigen Verschlechterung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels diagnostiziert werden kann.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu Beispielzwecken offenbart worden sind, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Gültigkeitsbereich und Geist der Erfindung wie in den angefügten Ansprüchen offenbart abzuweichen. Deshalb sollte der technische Bereich der vorliegenden Erfindung durch den technischen Geist und den Gültigkeitsbereich der angefügten Ansprüche definiert sein.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: Messen des Stroms und der Spannung eines Brennstoffzellenstapels durch einen Prozessor während des Fahrens eines Brennstoffzellenfahrzeugs und sequentielles Speichern des Stroms und der Spannung; Bestimmen auf Basis des gespeicherten Stroms, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, durch den Prozessor; Analysieren verschiedener Faktoren in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, durch den Prozessor und dann Bestimmen, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet; Berechnen der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel, wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet; und Diagnostizieren auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr, ob sich der Brennstoffzellenstapel in einem Austrocknungszustand befindet, durch den Prozessor.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, so konfiguriert ist, dass auf Basis der Varianz des gespeicherten Stroms bestimmt wird, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, so konfiguriert ist, dass dann, wenn bestimmt wird, dass das Fahrzeug nicht bei konstantem Strom betrieben wird, der interne Widerstand aus der Beziehung zwischen Strom und Spannung berechnet und bestimmt wird, ob der berechnet interne Widerstand höher ist als ein voreingestellter Referenzwiderstand.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Berechnung der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel ausgeführt wird, wenn der berechnete interne Widerstand höher ist als der voreingestellte Referenzwiderstand.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand so konfiguriert ist, dass dann, wenn bestimmt wird, dass das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, die Schwankung des Pegels der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels gemessen und bestimmt wird, ob die gemessene Schwankung des Ausgangsspannungspegel größer ist als eine voreingestellte Schwankung.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Berechnung der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel ausgeführt wird, wenn die gemessene Schwankung des Ausgangsspannungspegels größer ist als eine voreingestellte Schwankung.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel durch integrieren eines übermäßigen oder zu geringen Feuchtigkeitsgehalts über eine vorgegebene Zeitspanne berechnet wird, wobei der übermäßige oder zu geringe Feuchtigkeitsgehalt auf Feuchtigkeitszufuhr, Feuchtigkeitsabfuhr und Feuchtigkeitsgehalt basieren, der durch eine chemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel entsteht.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Diagnose, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, so konfiguriert ist, dass diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, wenn die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel größer ist als eine voreingestellte Feuchtigkeitszufuhr.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Diagnose, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, so konfiguriert ist, dass eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels diagnostiziert wird, wenn die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel geringer ist als eine voreingestellte Feuchtigkeitszufuhr.
  10. Einrichtung, mit: einem Prozessor, der mit Netzschnittstellen gekoppelt und zur Ausführung eines oder mehrerer Prozesse eingerichtet ist; und einem Speicher, der zum Speichern eines vom Prozessor ausführbaren Prozesses konfiguriert ist, wobei der Prozess bei Ausführung bewirken kann: Messen von Strom und Spannung eines Brennstoffzellenstapels während des Fahrens eines Brennstoffzellenfahrzeugs und sequentielles Speichern von Strom und Spannung; Bestimmen auf Basis des gespeicherten Stroms, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird; Analysieren verschiedener Faktoren in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, und dann Bestimmen, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet; Berechnen der Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel, wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet; und Diagnostizieren auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet.
  11. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Prozess so konfiguriert ist, dass er bei Ausführung auf Basis der Varianz des gespeicherten Stroms bestimmen kann, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird.
  12. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Prozess so konfiguriert ist, dass er bei Ausführung bestimmen kann, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, und wenn bestimmt wird, dass das Fahrzeug nicht bei konstantem Strom betrieben wird, den internen Widerstand aus der Beziehung zwischen Strom und Spannung berechnen und bestimmen kann, ob der berechnete interne Widerstand höher ist als ein voreingestellter Referenzwiderstand.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, wobei der Prozess bei Ausführung die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel berechnen kann, wenn der berechnete interne Widerstand höher ist als der voreingestellte Referenzwiderstand.
  14. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Prozess so konfiguriert ist, dass er bei Ausführung bestimmen kann, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet, und wenn bestimmt wird, dass das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, die Schwankung des Ausgangsspannungspegels des Brennstoffzellenstapels messen und bestimmen kann, ob die gemessene Schwankung des Ausgangsspannungspegels größer ist als eine voreingestellte Schwankung.
  15. Einrichtung nach Anspruch 14, wobei der Prozess bei Ausführung die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel berechnen kann, wenn die gemessene Schwankung des Ausgangsspannungspegels größer ist als die voreingestellte Schwankung.
  16. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel durch Integrieren eines übermäßigen oder zu geringen Feuchtigkeitsgehalts über eine vorgegebene Zeitspanne berechnet wird, wobei der übermäßiger oder zu geringe Feuchtigkeitsgehalt auf Feuchtigkeitszufuhr, Feuchtigkeitsabfuhr und Feuchtigkeitsgehalt basieren, der durch eine chemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel entsteht.
  17. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Prozess so konfiguriert ist, dass er bei Ausführung diagnostizieren kann, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, wobei diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, wenn die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel größer ist als eine voreingestellte Feuchtigkeitszufuhr.
  18. Einrichtung nach Anspruch 10, wobei der Prozess so konfiguriert ist, dass er bei Ausführung diagnostizieren kann, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet, wenn diagnostiziert wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtert hat, wenn die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel kleiner ist als eine voreingestellte Feuchtigkeitszufuhr.
  19. Nicht flüchtiges computerlesbares Medium mit Programmanweisungen, die von einem Prozessor ausgeführt werden, wobei das computerlesbare Medium aufweist: Programmanweisungen, die Strom und Spannung eines Brennstoffzellenstapels während des Fahrens eines Brennstoffzellenfahrzeugs messen und Strom und Spannung sequentiell speichern; Programmanweisungen, die auf Basis des gespeicherten Stroms bestimmen, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird; Programmanweisungen, die verschiedene Faktoren in Abhängigkeit davon, ob das Fahrzeug bei konstantem Strom betrieben wird, analysieren und dann bestimmen, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand befindet; Programmanweisungen, die die Feuchtigkeitszufuhr in den Brennstoffzellenstapel berechnen, wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel nicht im Normalzustand befindet; und Programmanweisungen, die auf Basis der berechneten Feuchtigkeitszufuhr berechnen, ob sich der Brennstoffzellenstapel im Austrocknungszustand befindet.
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