DE102016113390A1 - Systeme und verfahren zur bestimmung der anodenkontamination in einem brennstoffzellensystem - Google Patents

Systeme und verfahren zur bestimmung der anodenkontamination in einem brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

System und Verfahren zur Bestimmung der Anoden-Verunreinigung in einem Brennstoffzellensystem werden präsentiert. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Hochfrequenz-Widerstandsreaktion eines Brennstoffzellensystems bei mehreren Frequenzen gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann sich die Änderungsrate der Hochfrequenz-Widerstandsreaktion mit der Zeit bei verschiedenen Frequenzen basierend auf dem Ausmaß der Anodenkontamination in der Brennstoffzelle unterscheiden. Dementsprechend können hierin offenbarte Systeme und Verfahren von bei einer Vielzahl von gemessenen Frequenzen genommene Hochfrequenz-Widerstandsreaktionen vergleichen, um die Anodenkontamination zu bestimmen und zugehörige Wiederherstellungsvorgänge in den Brennstoffzellensystem zu initiieren.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zur Bestimmung der Anodenkontamination in einem Brennstoffzellensystem. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft diese Offenbarung Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Anodenkontamination in einem Brennstoffzellensystem basierend auf einem gemessenen hohen Frequenzwiderstand des Brennstoffzellensystems.
  • HINTERGRUND
  • Personenkraftwagen können Brennstoffzellen(„BZ“)-Systeme beinhalten, um bestimmte Funktionen der elektrischen und Antriebsstrang-Systeme eines Fahrzeugs anzutreiben. Ein BZ-System kann beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet werden, um die elektrischen Antriebsstrang-Komponenten des Fahrzeug direkt (z. B. mittels elektrischer Antriebsmotoren und dergleichen) und/oder über eine Batterieanlage anzutreiben. Wasserstoff ist ein möglicher Brennstoff, der in einem BZ-System verwendet werden kann. Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff, der zur effizienten Erzeugung von Elektrizität in einer BZ verwendet werden kann. Ein Wasserstoff-BZ-System ist eine elektrochemische Vorrichtung, die ein Elektrolyt zwischen einer Anode und einer Kathode beinhalten kann. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoff-Protonen und -Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoff-Protonen können wahlweise über den Elektrolyt geleitet werden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch das Elektrolyt passieren, und werden somit durch einen Verbraucher geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode gesendet werden. Die Wasserstoff-Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen („PAMBZ“) können in BZ-angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden. Eine PAMBZ beinhaltet im Allgemeinen eine Feststoffpolymer-Elektrolytprotonen-leitende Membran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Eine Anode und Kathode, die in einem PAMBZ beinhaltet sind, können fein verteilte katalytischen Teilchen (z. B. Platinpartikel), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind, beinhalten. Eine katalytische Mischung kann auf gegenüberliegenden Seiten der Membran angeordnet sein.
  • Während des Betriebs kann ein PAMBZ in den Anoden- und Kathodenelektroden durch verschiedenste Mechanismen und/oder Verfahren, die die Leistung der PAMBZ mit der Zeit verringern, kontaminiert werden. Bestimmte PAMBZ-Leistungsverluste können wiederherstellbar sein, durch Einleitung von Wiederherstellungsverfahren in der PAMBZ, während andere nicht wiederherstellbar sein können (z. B. Verluste, die der Elektroden-Degradierung zugeschrieben werden). Es kann jedoch schwierig sein, wiederherstellbare Verluste (z. B. Verluste von Anoden- und/oder Kathodenverunreinigung) von nicht wiederherstellbaren Verlusten zu unterscheiden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Im Betrieb, kann eine Anodenelektrode eines BZ-Systems mit der Zeit mit einer Vielzahl von Einschließungen kontaminiert werden, einschließlich beispielsweise Kohlenmonoxid, wodurch die Leistung des Systems reduziert wird. Es werden hier Systeme und Verfahren zum Erfassen einer Anodenkontamination in einem BZ-System, basierend auf einem gemessenen Hochfrequenz-Widerstand („HFW“) des BZ-Systems, präsentiert. In bestimmten Ausführungsformen können die offenbarten Systeme und Verfahren in Verbindung mit dem Bestimmen der Anodenverunreinigung und Starten eines Wiederherstellungsvorgangs verwendet werden, um bestimmte Leistungsverluste im BZ-System in Reaktion auf das Bestimmen der Anodenkontamination zurückzugewinnen.
  • HFW eines BZ-Systems und/oder eine einzelne Zelle können eine Impedanz auf gleicher Ebene auf einer Anode und Kathode des System und/oder Zelle repräsentieren. Ein gemessener HFW einer BZ kann von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden. Bestimmte stationäre Komponenten, die den HFW beeinflussen, können beispielsweise in einen Aufbau einer BZ inhärent sein. Elektroden-Hydratisierung kann ferner einen gemessenen HFW beeinflussen. In Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen kann eine Anodenverunreinigung ferner den gemessenen HFW einer BZ beeinflussen.
  • Aufgrund der Vielzahl von Faktoren, die den gemessenen HFW einer BZ (z. B., stationäre Komponente, Befeuchtung, Anodenverunreinigung usw.) beeinflussen, kann es schwierig sein, zwischen den verschiedenen Faktoren basierend auf einer einzigen HFW-Messung zu unterscheiden. Es kann beispielsweise schwierig sein, zwischen Änderungen der Anoden-Befeuchtung, die den HFW in einer BZ beeinflussen, und Änderungen der Anodenverunreinigung basierend auf einer einzigen HFW-Messung zu unterscheiden.
  • In Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen kann die HFW-Reaktion einer BZ bei mehreren Frequenzen gemessen werden. In bestimmten Ausführungsformen kann sich die Änderungsrate der HFW-Reaktion über die Zeit bei variierten Frequenzen basierend auf dem Grad der Anodenverunreinigung in der BZ unterscheiden. Dementsprechend, durch Vergleichen der HFW-Frequenzreaktionen, die an einer Vielzahl von gemessenen Frequenzen genommen werden, kann die Anodenverunreinigung einer BZ bestimmt werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bestimmen der Anodenverunreinigung eines BZ-Systems das Messen einer ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion des Brennstoffzellensystems (z. B. einer einzelnen Zelle und/oder einer Vielzahl von Zellen) bei einer ersten Frequenz und das Messen einer zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion des Brennstoffzellensystems bei einer zweiten anderen Frequenz als der ersten Frequenz beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann die erste Frequenz eine Frequenz in einem ersten Frequenzbereich umfassen, und die zweite Frequenz kann eine Frequenz in einem zweiten Frequenzbereich höher als dem ersten Frequenzbereich umfassen. In einigen Ausführungsformen kann die erste Frequenz beispielsweise eine Frequenz gleich oder größer als 200 Hz (z. B. 1 kHz) umfassen und die zweite Frequenz kann eine Frequenz gleich oder weniger als 6 kHz umfassen. Die erste Frequenzreaktion und die zweite Frequenzreaktion können innerhalb einer vorgegebenen Zeit und/oder andernfalls innerhalb eines Ereignisfenster (z. B. während eines einzigen Durchlaufzyklus oder dergleichen) synchron und/oder asynchron gemessen werden, und sie können unter Verwendung desselben Strommessungskanal und Spannungsmessungskanal gemessen werden.
  • Eine Differenz zwischen der ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion und der zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion kann bestimmt werden und die Differenz kann mit einem Schwellenwert verglichen werden. In einigen Ausführungsformen kann der Schwellenwert einen Schwellenwert umfassen, der ein Schwellenwertniveau der Anodenverunreinigung im Brennstoffzellensystem angibt. Basierend auf einer Bestimmung, dass die Differenz den Schwellenwert überschreitet, kann ein Wiederherstellungsvorgang im Brennstoffzellensystem eingeleitet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Wiederherstellungsvorgang das Einführen von Sauerstoff in das Brennstoffzellensystem beinhalten, um Kohlenmonoxid zu oxidieren.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann das soeben beschriebene Verfahren von einem BZ-Steuerungssystem und/oder jedem beliebigen Rechensystem durchgeführt werden und/oder unter Einsatz eines nicht flüchtigen computerlesbaren Mediums, das zugehörige ausführbare Anweisungen speichert, implementiert werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung werden beschrieben, einschließlich verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren, in denen:
  • 1 veranschaulicht ein Diagramm eines BZ-System, das in einem Fahrzeug enthalten ist, in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen.
  • 2 veranschaulicht eine Graphik, die die HFW-Reaktionen einer BZ bei einer Vielzahl von Messfrequenzen in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen zeigt.
  • 3A veranschaulicht ein Blockschaltbild eines exemplarischen Kanals zum Messen eines Stroms in Zusammenhang mit dem Bestimmen einer HFW-Reaktion in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen.
  • 3B veranschaulicht ein Blockschaltbild eines exemplarischen Kanals zum Messen einer Spannung in Zusammenhang mit der Ermittlung einer HFW-Reaktion in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen.
  • 4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens für die Bestimmung einer Anodenverunreinigung in einem Brennstoffzellensystem Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen.
  • 5 veranschaulicht ein Diagramm eines Systems für die Implementierung verschiedener Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Nachstehend wird eine genaue Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Obwohl mehrere Ausführungsformen beschrieben werden, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf eine beliebige Ausführungsform begrenzt ist, sondern stattdessen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfasst. Obwohl zahlreiche spezielle Details in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hier offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das auf dem zugehörigen technischen Gebiet bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
  • Die Ausführungsformen der Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen am besten verstanden werden, bei denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sein können. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die in den Abbildungen hier allgemein beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer großen Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende genaue Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung nicht dazu gedacht, den Umfang der beanspruchten Offenbarung einzuschränken, sondern sie stellt nur mögliche Ausführungsformen der Offenbarung bereit. Zudem müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in einer beliebigen speziellen Reihenfolge, auch nicht sequenziell, ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt, sofern nicht anders angegeben.
  • Hierin offenbarten Systeme und Verfahren können in Verbindung mit dem Bestimmen der Anodenverunreinigung eines BZ-Systems basierend auf der HFW-Reaktion der BZ, die bei mehreren Frequenzen gemessen wird, verwendet werden. Besonders, durch Vergleichen der HFW-Frequenzreaktionen, die bei einer Vielzahl von Messfrequenzen gemessen werden, kann die Anodenverunreinigung einer BZ bestimmt werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen können Leistungsverluste, die mit der Anodenverunreinigung in der BZ assoziiert sind, wiederherstellbar sein durch Einleitung von Spannungswiederherstellungsvorgängen im BZ-System. Bestimmte Wiederherstellungsvorgänge können jedoch eine minimale nicht wiederherstellbare Degradation des BZ-Systems verursachen. Dementsprechend, können Wiederherstellungsvorgänge eingeleitet werden, wenn Spannungsverlustwiederherstellung wirkungsvoll realisiert werden kann, um so nicht wiederherstellbare Degradation zu reduzieren. Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren können bei der genauen Bestimmung des Auftritts der Anodenverunreinigung im BZ-System und der Initiierung die Wiederherstellungsvorgänge in Reaktion auf die gleiche verwendet werden.
  • 1 veranschaulicht ein Diagramm eines BZ-Systems 102, das in einem Fahrzeug 100 enthalten ist, in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Das Fahrzeugsystem 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder eine beliebige andere Art von Fahrzeug sein und es kann eine beliebige geeignete Art von Antriebsstrang enthalten, um die hier offenbarten Systeme und Verfahren aufzunehmen. Zusätzliche Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren können in Zusammenhang mit jeder anderen Art von BZ-System 102 verwendet werden, einschließlich z. B. stationärer BZ-Systeme (z. B. Notstromversorgung für ein Gebäude und/oder dergleichen).
  • Das Fahrzeug 100 kann ein BZ-System 102 mit einem BZ-Stapel 112 beinhalten, der in bestimmten Ausführungsformen mit einem Hochspannungs(„HS“)-Batteriesystem (nicht dargestellt) gekoppelt sein kann. Das HS-Batteriesystem kann verwendet werden, um die elektrischen Antriebsstrang-Komponenten (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 100 anzutreiben. In weiteren Ausführungsformen kann der BZ-Stapel 112 mit einer niedrigen Spannungsbatterie gekoppelt sein und kann zur Energieversorgung einer Vielzahl von Fahrzeug 100-Systemen konfiguriert sein, einschließlich beispielsweise Lichtsysteme, Telekommunikationsgeräte u. ä. In weiteren Ausführungsformen kann das BZ-System 102 konfiguriert sein, um direkt bestimmte Fahrzeugsysteme anzutreiben. In einigen Ausführungsformen kann das BZ-System 102 eine einzige Zelle oder, wie dargestellt, mehrere in einer Stapel-Konfiguration angeordnete Zellen 114 beinhalten.
  • Die BZ-Stapel 112 können einem BZ-Steuersystem 104 zugeordnet sein. Das BZ-Steuersystem 104 kann zur Überwachung und Steuerung bestimmter Vorgänge des BZ-Stapels 112 konfiguriert sein. Das BZ-Steuersystem 104 kann beispielsweise zur Überwachung und Steuerung einstellbarer Leistungsparameter und/oder zur Verwaltung der Ladungs- und Entladungsvorgänge des BZ-Stapels 112 konfiguriert sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das BZ-Steuersystem 104 mit einem oder mehreren Sensoren 106 (z. B. Spannungssensoren, Stromstärkesensoren und/oder dergleichen usw.) kommunikativ gekoppelt sein, und/oder anderen Systeme, die konfiguriert sind, dem BZ-Steuersystem 104 die Überwachung und Steuerung der Vorgänge des BZ-Stapels 112 und/oder einzelner Batteriezellen 114 zu ermöglichen.
  • In Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen können die Sensoren 106 in Kommunikation mit dem BZ-Stapel 112 dem BZ-Steuersystem 104 und/oder anderen Systemen (z. B. ein internes Fahrzeug-Computersystem 108 und/oder ein externes Computersystem 110) Informationen bereitstellen, die verwendet werden können, um HFW-Reaktionen des BZ-Systems bei einer Vielzahl von Frequenzen zu messen und/oder die Anodenverunreinigung basierend auf dieser zu bestimmen. Das BZ-Steuersystem 104 kann ferner konfiguriert sein, um Informationen bereitzustellen und/oder Informationen von anderen im Fahrzeug 100 beinhalteten Systemen zu empfangen. Das BZ-Steuersystem 104 kann beispielsweise kommunikativ mit einem internen Fahrzeug Computersystem 108 und/oder einem externen Computersystem 110 gekoppelt sein.
  • Das Steuersystem 104 kann ein internes Steuersystem, ein externes Steuersystem und/oder jedes beliebige Fahrzeugsteuer- und/oder Computersystem umfassen. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Steuersystem 104 konfiguriert sein, um Informationen bereitzustellen und/oder Informationen von anderen Systemen einschließlich des Fahrzeugs 100 und/oder einem Bediener des Fahrzeugs 100 zu empfangen. Obwohl hier in Verbindung mit einem einzigen Steuersystem 104 veranschaulicht, ist zu bemerken, dass Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren unter Verwendung einer Vielzahl von geeigneten Steuer- und/oder Computersystemen implementiert werden können.
  • In einigen Ausführungsformen können das Steuersystem 104, das interne Fahrzeug-Computersystem 108 und/oder das externe Computersystem 110 ein Modul 116 umfassen, das, wenn durch das Steuersystem 104, und/oder das interne Fahrzeug Computersystem 108 und/oder das externe Computersystem 110 ausgeführt, die Systeme 104, 108 und/oder 110 dazu veranlasst, Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren zu implementieren. In einigen Ausführungsformen kann das Modul 116 beispielsweise die Systeme 104, 108 und/oder 110 dazu veranlassen, HFW-Reaktionen des BZ-Systems bei einer Vielzahl von Frequenzen zu messen und/oder die Anodenverunreinigung basierend auf derselben zu bestimmen. In weiteren Ausführungsformen kann das Modul 116 die Systeme 104, 108 und/oder 110 dazu veranlassen, einen Wiederherstellungsvorgang im BZ-System zu initiieren basierend, zumindest teilweise, auf der bestimmten Anodenverunreinigung.
  • Es ist zu bemerken, dass die Architektur, Zuordnungen und Beispiele, die in Verbindung mit 1 dargelegt werden, in einer Vielzahl von Variationen im Rahmen erfindungsreichen Schaffens gestaltet werden können. So können bestimmte vorstehend beschriebene Geräte und/oder Systemfunktionalitäten beispielsweise in ein einziges Gerät und/oder System und/oder jede geeignete Kombination von Geräten und/oder Systemen in jeder beliebigen Konfiguration integriert werden. In ähnlicher Weise, obwohl bestimmte Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren als durch das BZ-Steuersystem 104 implementiert beschrieben sind, versteht sich, dass das interne Fahrzeug Computersystem 108, externe Computersystem 110, und/oder jedes andere Computersystem die hierin offenbarten Ausführungsformen implementieren kann. Daher ist zu bemerken, dass die Architektur, Zuordnungen und Beispiele, die in Verbindung mit 1 dargelegt werden, zu Zwecken der Veranschaulichung und Erläuterung, nicht der Beschränkung, bereitgestellt werden.
  • 2 veranschaulicht einen Graphen 200, der die HFW-Reaktionen 206, 208 einer BZ bei einer Vielzahl von Messfrequenzen in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen zeigt. In dem dargestellten Graphen 200, stellt die x-Achse 202 die operative Laufzeit eines BZ-System dar (z. B. gemessen in Stunden) und die y-Achse 204 stellt der gemessene HFW des BZ-Systems (z. B. gemessen in Ωcm2) dar.
  • In Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen kann die Anodenverunreinigung eines BZ-Systems basierend auf den HFW-Reaktionen 206, 208 der BZ, die bei einer Vielzahl von Frequenzen gemessen wurde, bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen können HFW-Messungen bei festgesetzten Stromdichten (z. B. 1,5 A/cm2), Betriebstemperaturen (z. B. 87 °C) und/oder relativen Befeuchtungsebenen genommen werden. In bestimmten Ausführungsformen können HFW-Messungen bei 1 kHz (z. B., HFW-Reaktion 206) und bei 6 kHtz (z. B., HFW-Reaktion 208) Messfrequenzen erfasst werden, obwohl es offensichtlich ist, dass andere Messfrequenzen in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können. HFW-Messungen können bei Frequenzen beispielsweise gleich oder größer als 200 Hz und gleich oder kleiner als 6 kHz genommen werden. HFW-Reaktion kann auf verschiedenste Weisen gemessen werden, einschließlich beispielsweise durch das Messen einer Impedanz in Reaktion auf Einspritzen eines Signals einer bestimmten Frequenz und/oder einer Vielzahl von Signalen, um auf den BZ-Stapel zuzugreifen.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann die Änderungsrate der HFW-Reaktion 206, 208 über die Zeit 200 bei unterschiedlichen Frequenzen basierend auf dem Grad der Anodenverunreinigung in der BZ variieren. Dementsprechend, durch Vergleichen der HFW-Frequenzreaktionen 206, 208 bei einer Vielzahl von gemessenen Frequenzen, kann die Anodenverunreinigung einer BZ erfasst werden. Wenn beispielsweise, wie dargestellt, eine Differenz 210 zwischen HFW-Frequenzreaktionen 206, 208 einen bestimmten Schwellwert überschreitet, kann bestimmt werden, dass eine Verunreinigung der Anode einen Schwellenwert erreicht hat und dass die Anodenverunreinigungs-Wiederherstellungsvorgänge eingeleitet werden können. In bestimmten Ausführungsformen können die Schwellenwerte (die durch BZ-Charakterisierungstests oder dergleichen erhalten werden können) in einer Nachschlagetabelle und/oder jeder anderen geeigneten Logik beinhaltet sein, die Differenzen zwischen HFW-Frequenzreaktionen bei unterschiedlichen Frequenzen und Anodenverunreinigungsgraden korreliert, die einen Wiederherstellungsvorgang auslösen.
  • 3A veranschaulicht ein Blockschaltbild eines exemplarischen Kanals 300a zum Messen eines Stroms in Zusammenhang mit der Bestimmung einer HFW-Reaktion in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Wie dargestellt, kann der Strommessungskanal 300a, ohne Einschränkung, einen Rogowski-Spulen-Wechselstrom-Sensor 302, der mit einen Integrator und Signal-Aufbereitungsschaltung 304 gekoppelt ist, beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann der Rogowski-Spulen-Wechselstromsensor 302 einen nicht ferritischen magnetischen Stromwandler umfassen und so konfiguriert sein, dass er die AC-Signale differenzieren kann und dass er kleine AC-Signale in Gegenwart von großen DC-Strömen erfassen kann. Der Integrator und die Signal-Aufbereitungsschaltung 306 kann die Bandbreite des Wechselstrom-Signals integrieren und schmälern (z. B. über einen Tiefpass) und das ursprüngliche Signal zur Nachverarbeitungs-Konzentration auf den Bereich des Signal-Interesses wiederherstellen, während das Antialiasing für digitale Erfassung reduziert wird.
  • Die Ausgabe des Integrators und der Signal-Aufbereitungsschaltung 304 kann an einen Analog-Digital(„A/D“)-Wandler 306 in Verbindung mit einem zugehörigen Mikroprozessor über einen oder mehrere Kommunikationskanäle 308 bereitgestellt werden. Der A/D-Wandler 306 kann konfiguriert sein, um den Level des empfangenen Signals zu verschieben und das Signal in ein digitales Signal umzuwandeln (z. B. ein digitales 16-Bit-Signal). Nach der Umwandlung, kann der A/D das umgewandelte Signal an einen Mikroprozessor über einen oder mehrere Kommunikationskanäle 308 bereitstellen, die wiederum die Amplitude des Stroms bei den gewünschten Frequenzen extrahieren können.
  • 3B veranschaulicht ein Blockschaltbild eines exemplarischen Kanals 300b zum Messen einer Spannung in Zusammenhang mit der bestimmung einer HFW-Reaktion in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Wie dargestellt, kann der Spannungsmessung-Kanal 300b einen Messungs-Kondensator 310 umfassen, der mit einem Pluspol des BZ-Stapels gekoppelt ist (dem Minuspol, der mit einem isolierten Bezug 312 gekoppelt ist). Der Messungskondensator 310 kann den DC Spannungsgehalt blockieren. Der Verstärker und die Signal-Aufbereitungsschaltung 314 kann das Signal zur Verbesserung der Signal Qualität verstärken und dann das verstärkte Signal durch einen Tiefpassfilter leiten, um die Bandbreite des Wechselspannungssignals auf gewünschte Frequenzen von Interesse zu schmälern und kann das Antialiasing im Signal für digitale Erfassung reduzieren.
  • Die Ausgabe des Verstärkers und der Signal-Aufbereitungsschaltung 314 kann an einen A/D-Wandler 316 in Verbindung mit einem zugehörigen Mikroprozessor über einen oder mehrere Kommunikationskanäle 318 bereitgestellt werden. Der A/D-Wandler 316 kann konfiguriert sein, um den Level des empfangenen Signals zu verschieben und das Signal in ein digitales Signal umzuwandeln (z. B. ein digitales 16-Bit-Signal). Nach der Umwandlung, kann der A/D das umgewandelte Signal an einen Mikroprozessor über einen oder mehrere Kommunikationskanäle 308 bereitstellen, die wiederum die Amplitude der Spannung bei den gewünschten Frequenzen extrahieren können.
  • Hierin offenbarte Ausführungsformen können genaue und konsistente Messung der HFW-Reaktionen bei mehreren Frequenzen verwenden, um die Anodenverunreinigung zu bestimmen. In bestimmten Ausführungsformen können die HFW-Reaktionsmessungen bei unterschiedlichen Frequenzen Leistungen synchron und/oder sequenziell innerhalb eines Zeitrahmen sein, sodass die gemessene Reaktionen wirkungsvoll zur Verwendung in Verbindung mit den offenbarten Systeme und Verfahren verglichen werden kann. In weiteren Ausführungsformen können die Messungskanäle 300a, 300b synchrone HFW-Reaktions-Messungen bei mehreren Frequenzen ermöglichen, während die Prozessor-Belastung reduziert wird.
  • In einigen Ausführungsformen können die Messungskanäle 300a, 300b weiterhin eine Verringerung der Messungsvariation und -Verfälschung zwischen Messpunkten durch lineare Messung über einen gesamten Frequenzbereich von Interesse ermöglichen. In bestimmten Ausführungsformen kann dies die Messdaten-Erfassung vereinfachen, was eine einzige Erfassungsperiode und reduzierte Messungs-Hardware ermöglicht. In weiteren Ausführungsformen kann die synchrone Messung der HFW-Reaktion dabei helfen, jede Variation aufgrund wechselnder Betriebsbedingungen während eines Messungs-Abtastungsverfahrens zu reduzieren, um so die Anodenverunreinigungs-Bestimmung zu verbessern.
  • 4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 400 für die Bestimmung einer Anodenverunreinigung in einer BZ in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. In einigen Ausführungsformen kann das dargestellte Verfahren 300 und/oder einer seiner konstituierenden Schritte unter Verwendung von, zumindest partiell, einem BZ-Steuersystem und/oder jedem anderen geeigneten Computersystem durchgeführt werden.
  • Bei 402 kann das Verfahren 400 initiiert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das Verfahren 400 basierend auf einer definierten Fensterungsstrategie (z. B. bei Start, Abschaltung, während bestimmter Stromfenster usw.) initiiert werden. Bei 404 kann eine HFW-Reaktion des BZ-Systems bei einer ersten Frequenz gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine HFW-Reaktion des BZ-Systems bei 1 kHz gemessen werden.
  • Bei 406, kann eine HFW-Reaktion des BZ-Systems bei einer zweiten Frequenz gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise die HFW-Reaktion des BZ-Systems bei 6 kHz gemessen werden. In Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen können in bestimmten Ausführungen die bei 404 und 406 gemessenen HFW-Reaktionen synchron erfasst werden. In anderen Ausführungsformen können die Reaktionen asynchron erfasst werden, aber innerhalb einer Zeitspanne, sodass die resultierenden HFW-Reaktionen wirkungsvoll verglichen werden können, um die Anodenverunreinigung zu identifizieren.
  • Die bei der ersten Frequenz bei 404 gemessene HFW-Reaktion und die bei der zweiten Frequenz bei 406 gemessene HFW-Reaktionen kann bei 408 verglichen werden, um zu bestimmen, ob eine Differenz zwischen den Reaktionen einen Schwellenwert überschreitet. In einigen Ausführungsformen kann der Schwellenwert durch BZ-Charakterisierungstests erhalten werden, und er kann eine Schwellenwert-HFW-Differenz umfassen, die einen Grad der Anodenverunreinigung anzeigt, wann ein Wiederherstellungsvorgang eingeleitet werden sollte.
  • Falls die Differenz den Schwellenwert nicht überschreitet, kann das Verfahren 400 zu 406 und 408 zurückkehren, wobei HFW-Reaktionen bei den ersten und zweiten Frequenzen wieder zum Vergleich erhalten werden können. Falls die Differenz zwischen den bei den unterschiedlichen Frequenzen gemessenen HFW-Reaktionen den Schwellenwert überschreitet, fährt das Verfahren 400 jedoch bis 410 fort, wobei ein Anodenverunreinigungs-Wiederherstellungsvorgang eingeleitet werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Wiederherstellungsvorgang Sauerstoff in den BZ-Stapel einleiten, um jedes kontaminierten CO in der Anoden zu oxidieren, obwohl auch andere geeignete Wiederherstellungsvorgänge, die zur Wiederherstellung von Leistungsverlusten, die der Anodenverunreinigung zugeordnet werden, in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise ein Ventil eine Anode und eine Kathode verbinden. Während eines Wiederherstellungsvorgangs, kann der Anoden-Druck niedriger als der Kathoden-Druck gesetzt werden, sodass wenn das Ventil geöffnet ist, Luft (z. B. 21 % O2) in die Anode eingeführt wird, wodurch die Verunreinigungen oxidiert werden. Das Verfahren 400 kann fortfahren, um bei 412 zu beenden.
  • 5 veranschaulicht ein Diagramm eines Systems 500 für die Implementierung verschiedener Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren. In bestimmten Ausführungsformen kann das Computersystem 500 ein Personalcomputersystem, ein Server-Computersystem, ein Fahrzeug-Bordcomputer, ein internes BZ-Steuersystem, ein externes BZ-Steuersystem und/oder jede andere Art von System, die für die Implementierung der offenbarten Systeme und Verfahren geeignet ist, sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Computersystem 500 ein beliebiges tragbares elektronisches Computersystem oder elektronisches Gerät sein, einschließlich, beispielsweise ein Notebook-Computer, ein Smartphone, und/oder ein Tablet-Computer.
  • Wie dargestellt, kann das Computersystem 500 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 502, einen Direktzugriffsspeicher („RAM“) 504, eine Kommunikationsschnittstelle 506, eine Benutzerschnittstelle 508 und ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium 510 beinhalten. Der Prozessor 502, der RAM 404, die Kommunikationsschnittstelle 506, die Benutzerschnittstelle 508, und das computerlesbare Speichermedium 510 können kommunikativ miteinander über einen gemeinsamen Datenbus 512 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computersystems 500 unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und/oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden.
  • Die Benutzerschnittstelle 508 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen beinhalten, die es einem Benutzer erlauben mit dem Computersystem 500 zu interagieren. Zum Beispiel kann die Benutzerschnittstelle 508 verwendet werden, um einem Benutzer eine interaktive Schnittstelle anzuzeigen. Die Benutzerschnittstelle 508 kann ein separates, kommunikativ mit dem Computersystem 500 gekoppeltes Schnittstellensystem sein, oder alternativ ein integriertes System, wie beispielsweise eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung, sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Benutzerschnittstelle 508 auf einer Berührungsbildschirmanzeige erzeugt werden. Die Benutzerschnittstelle 508 kann auch eine beliebige Anzahl an anderen Eingabevorrichtungen, einschließlich beispielsweise einer Tastatur, einen Trackball und/oder Zeigegeräte, beinhalten.
  • Die Kommunikationsschnittstelle 506 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die mit anderen Computersystemen, Peripheriegeräten in Verbindung steht, und/oder ein anderes kommunikativ mit dem Computersystem 500 gekoppeltes Gerät. Zum Beispiel kann die Kommunikationsschnittstelle 506 es dem Computersystem 500 ermöglichen, mit anderen Computersystemen zu kommunizieren (z. B. Computersysteme, die mit externen Datenbanken und/oder dem Internet verbunden sind), um die Übertragung und den Empfang von Daten aus solchen Systemen zu ermöglichen. Die Kommunikationsschnittstelle 506 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und/oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung beinhalten, die es dem Computersystem 500 ermöglicht mit Datenbanken und Netzwerken verbinden zu können, wie beispielsweise LANs, MANs, WANs und das Internet. In weiteren Ausführungsformen kann die Kommunikationsschnittstelle 506 weiterhin fähig zur Kommunikation mit einem oder mehreren Sensoren (z. B., Stromsensoren, Spannungssensoren) und/oder anderen Systeme sein, die zum Messen und/oder anderweitigen Bereitstellen von Informationen zur Verwendung in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen konfiguriert sind.
  • Der Prozessor 502 kann einen oder mehrere Universalprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, FPGAs, andere anpassbare oder programmierbare Verarbeitungsgeräte und/oder andere Geräte oder Anordnungen von Vorrichtungen beinhalten, die zur Umsetzung der hierin offenbarten Systeme und Verfahren in der Lage sind.
  • Der Prozessor 502 kann konfiguriert sein, computerlesbare auf dem nicht-transitorischen computerlesbaren Speichermedium 510 gespeicherte Anweisungen auszuführen. Das computerlesbare Speichermedium 510 kann andere Daten oder Informationen speichern, wie gewünscht. In einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare Funktionsmodule 514 beinhalten. Zum Beispiel können die computerlesbaren Anweisungen ein oder mehrere Funktionsmodule beinhalten, die konfiguriert sind alle oder einen Teil der Funktionalität der oben beschriebenen Systeme und Verfahren zu implementieren. Spezifische Funktionsmodelle, die auf dem computerlesbaren Speichermedium 510 gespeichert werden können, können ein Modul, das konfiguriert ist, um die Messung von einer HFW-Reaktion eines BZ-Systems zu koordinieren und/oder anderweitig zu bestimmen bei einer Vielzahl von Frequenzen, ein Modul, das konfiguriert ist, um einen Unterschied zwischen den gemessenen HFW-Reaktionen mit einem Schwellenwert zu vergleichen, ein Modul, das konfiguriert ist, um einen Wiederherstellungsvorgang basierend auf dem Vergleich zu initiieren, und ein Modul, das konfiguriert ist, auf andere Weise zugeordnete Wiederherstellungsvorgänge zu steuern, und/oder jedes andere Modul oder Module umfassen, die konfiguriert sind, um die hierin offenbarten Systeme und Verfahren zu implementieren.
  • Obwohl das Vorangehende in einigen Einzelheiten zum Zwecke der Klarheit beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass bestimmte Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von den Prinzipien davon abzuweichen. Bestimmte Merkmale der hierin offenbarten Ausführungsformen können in jeder geeigneten Konfiguration oder Kombination konfiguriert und/oder kombiniert werden. Zusätzlich können bestimmte hierin beschriebene Systeme und/oder Verfahren in nicht in einem Fahrzeug enthaltenen BZ-Systemen (z. B. einem Backup-Strombatteriesystem oder dergleichen) verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass es viele alternative Wege zur Implementierung sowohl der hierin beschriebenen Verfahren als auch Vorrichtungen gibt. Darüber hinaus ist, obwohl hinsichtlich des Messens und Vergleichens von HFW-Reaktionen eines BZ-Systems bei zwei Frequenzen erläutert, darauf hinzuweisen, dass Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren in Verbindung mit jeder geeigneten Anzahl an mehreren Frequenzen verwendet werden können. Dementsprechend sind die vorliegenden Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht beschränkend anzusehen, und die Erfindung ist nicht auf die hierin gegebenen Details beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs und der Äquivalente der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.
  • Die vorangehende Beschreibung wurde unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Jedoch wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Verschiedene Arbeitsschritte, sowie Komponenten für die Ausführung der Arbeitsschritte, können auf alternative Arten implementiert werden, abhängig von der bestimmten Anwendung oder unter Berücksichtigung von einer beliebigen Anzahl von Kostenfunktionen in Verbindung mit dem Betrieb des Systems. Dementsprechend kann einer oder mehrere der Schritte gelöscht, modifiziert oder mit anderen Schritten kombiniert werden. Ferner ist diese Offenbarung eher als in einem veranschaulichenden als in einem einschränkenden Sinne zu sehen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang davon umfasst werden. Ebenso wurden der Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme im Hinblick auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Jedoch sollen Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und jedes Element(e), das dazu führen kann, das ein Nutzen, Vorteil, oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, nicht als ein kritisches, ein erforderliches oder ein wesentliches Merkmal oder Element ausgelegt werden.
  • Wie hier verwendet, sollen die Begriffe „umfasst“ und „beinhaltet“ und andere Variation davon eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, sodass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen beinhalten, nicht nur diese Elemente beinhalten, sondern auch andere Elemente beinhalten können, die nicht ausdrücklich aufgeführt oder bei einem solchen Prozess, Verfahren, System, Artikel oder Vorrichtung inhärent sind. Auch, wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „gekoppelt“, „Koppeln“ und andere Varianten davon eine physikalische Verbindung, eine elektrische Verbindung, eine magnetische Verbindung, eine optische Verbindung, eine kommunikative Verbindung, eine funktionelle Verbindung, und/oder jede andere Verbindung abdecken.
  • Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass viele Änderungen Details der oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Initiieren eines Wiederherstellungsvorgangs in einem Brennstoffzellensystem durch ein System, das einen Prozessor und ein kommunikativ gekoppeltes nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium zum Speichern von Anweisungen umfasst, das, wenn es durch den Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor dazu veranlasst, das Verfahren durchzuführen, ferner umfassend: Messen einer ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion des Brennstoffzellensystems bei einer ersten Frequenz; Messen einer zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion des Brennstoffzellensystems bei einer zweiten Frequenz; Bestimmen einer Differenz zwischen der ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion und der zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion; Vergleichen der Differenz mit einem Schwellenwert; und Initiieren eines Wiederherstellungsvorgangs im Brennstoffzellensystem basierend darauf, dass die Differenz den Schwellenwert überschreitet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die erste Frequenz eine Frequenz in einem ersten Frequenzbereich umfasst und die zweite Frequenz eine Frequenz in einem zweiten Frequenzbereich umfasst, wobei der zweite Frequenzbereich höher als der erste Frequenzbereich ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion und die zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion zeitsynchron gemessen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion und die zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion asynchron innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters gemessen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Schwellenwert einen Schwellenwert umfasst, der ein Schwellenwertniveau der Anodenverunreinigung im Brennstoffzellensystem angibt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Anodenverunreinigung Kohlenmonoxidverunreinigung im Brennstoffzellensystem umfasst und der Wiederherstellungsvorgang das Einführen von Sauerstoff in das Brennstoffzellensystem zur Oxidierung des Kohlenmonoxid umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, worin die ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion und die zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion mit einem einzigen Strommessungskanal und Spannungsmessungskanal gemessen werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Brennstoffzelle eine einzige Zelle umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Zellen umfasst.
  10. Nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium zum Speichern von Anweisungen, welches, wenn es durch einen Prozessor ausgeführt wird, den Prozessor dazu veranlasst, ein Verfahren zum Initiieren eines Wiederherstellungsvorgangs in einem Brennstoffzellensystem durchzuführen, Ferner umfassend: Messen einer ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion des Brennstoffzellensystems bei einer ersten Frequenz; Messen einer zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion des Brennstoffzellensystems bei einer zweiten Frequenz; bestimmen einer Differenz zwischen der ersten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion und der zweiten Hochfrequenz-Widerstandsreaktion; Vergleichen der Differenz mit einem Schwellenwert; und Initiieren eines Wiederherstellungsvorgangs im Brennstoffzellensystem basierend darauf, dass die Differenz den Schwellenwert überschreitet.
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