DE102016117366A1 - Einrichtungen zur schätzung der relativen feuchtigkeit für brennstoffzellenanschlüsse - Google Patents

Einrichtungen zur schätzung der relativen feuchtigkeit für brennstoffzellenanschlüsse Download PDF

Info

Publication number
DE102016117366A1
DE102016117366A1 DE102016117366.5A DE102016117366A DE102016117366A1 DE 102016117366 A1 DE102016117366 A1 DE 102016117366A1 DE 102016117366 A DE102016117366 A DE 102016117366A DE 102016117366 A1 DE102016117366 A1 DE 102016117366A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fcs
hrs
ejector
fuel cell
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016117366.5A
Other languages
English (en)
Inventor
Benjamin Pence
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Publication of DE102016117366A1 publication Critical patent/DE102016117366A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04343—Temperature; Ambient temperature of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04402—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016—Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018—Polymeric electrolyte materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Es ist ein Wasserverwaltungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (FCS) bereitgestellt. Das Verfahren kann das Ausgeben eines für einen FCS-Anodenanschluss geschätzten Werts relativer Feuchtigkeit über eine Steuerung, basierend auf dem Verbrauch von Reaktionspartnern und der Erzeugung von Produkten im FCS, und das Anpassen einer Befeuchtungssteuerungsstrategie basierend auf diesem Wert umfassen. Die Ausgabe kann als Antwort auf das Eintreten eines für den FCS-Anodenanschluss vorhergesagten Werts relativer Feuchtigkeit aus einem Modell eines Wasserstoffrückführsystems (HRS) des FCS innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erfolgen. Es ist außerdem ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitgestellt, das ein HRS und eine Steuerung umfasst. Das HRS kann einen Ejektor und einen Brennstoffzellstapel mit einem Anodenanschluss umfassen. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um ein HRS-Modell zu aktivieren, um eine Echtzeitschätzung einer relativen Feuchtigkeit des Anodenanschlusses basierend auf einer geschätzten Durchflussrate einer Sekundärdüse des Ejektors zu berechnen.

Description

  • GEBIET DER TECHNIK
  • Diese Offenbarung betrifft Feuchtigkeitsbedingungen eines Wasserstoffstroms für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen, in denen ein Ejektor ein Wasserstoffgasgemisch rückführt.
  • HINTERGRUND
  • Ein Fahrzeug, wie z. B. ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCV, fuel cell vehicle) oder ein elektrisches Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, fuel cell electric vehicle), kann eine Energiespeichervorrichtung, wie einen Brennstoffzellenstapel, umfassen, um Komponenten des Fahrzeugs mit Leistung zu versorgen. Der Brennstoffzellenstapel kann zur Unterstützung der Verwaltung der Leistungsfähigkeit und der Arbeitsabläufe des Fahrzeugs mit Systemen einstückig verbunden sein. Der Brennstoffzellenstapel kann zur Unterstützung der Verwaltung von Wasserbedingungen des Brennstoffzellenstapels mit einem Wasserstoffrückführsystem verwendet werden. Bei einem Beispiel einer Brennstoffzelle, die mit dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden kann, handelt es sich um eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle.
  • KURZFASSUNG
  • Ein Wasserverwaltungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (FCS, fuel cell stack) umfasst das Ausgeben eines für einen FCS-Anodenanschluss geschätzten Werts relativer Feuchtigkeit über eine Steuerung, basierend auf dem Verbrauch von Reaktionspartnern und der Erzeugung von Produkten im FCS, und das Anpassen einer Befeuchtungssteuerungsstrategie basierend auf diesem Wert. Die Ausgabe erfolgt als Antwort auf das Eintreten eines für den FCS-Anodenanschluss vorhergesagten Werts relativer Feuchtigkeit aus einem Modell eines Wasserstoffrückführsystems (HRS, hydrogen recirculation system) des FCS innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Der vorhergesagte Wert relativer Feuchtigkeit kann auf einem gemessen HRS-Tankdruck, einem gemessenen FCS-Anodenanschlussdruck und einem vorhergesagten FCS-Anodenanschlussdruck vom Modell basiert sein. Das Verfahren kann ferner das Vorhersagen einer Durchflussrate einer Sekundärdüse eines Ejektors des HRS basierend auf linearisierten dynamischen Gleichungen, die das Modell definieren, umfassen. Das Vorhersagen kann ein Anwenden einer Polynomchaosschätzung auf die Feuchtigkeitssteuerungsstrategie umfassen, um Unsicherheiten zu kompensieren. Das Vorhersagen kann das Filtern von Ausgaben der Feuchtigkeitssteuerungsstrategie umfassen, um Unsicherheiten zu kompensieren. Das Verfahren kann das Berechnen einer Ejektordurchflussrate basierend auf einem Bereich einer virtuellen Ejektordüse des HRS, abgeleitet von einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms, Druckwerten an zwei Einlässen des Ejektors und Eigenschaften von Primär- und Sekundärfluiden, umfassen. Das Verfahren kann ferner das Identifizieren eines Zustands einer Membran des FCS basierend auf dem Wert umfassen und kann den Zustand ausgeben. Das Verfahren kann ferner das Identifizieren eines Verbrauchs von Reaktionspartnern und einer Erzeugung von Produkten im FCS durch ein zeitabhängiges Modell des HRS umfassen. Das Verfahren kann außerdem das Einstellen eines Signals für regulierten Wasserstoffdruck des Modells über eine Rückkopplungssteuerung umfassen, sodass ein Wert des Signals mit einem Wert der tatsächlichen Druckmessung zu einem im Wesentlichen gleichen Wert konvergiert.
  • Ein Feuchtigkeitsschätzungsverfahren für einen Anodenanschluss eines FCS umfasst das Ausgeben einer Aktivierungssequenz für einen Ejektor eines HRS über eine Steuerung, basierend auf Daten, die von einer Polynomchaos-basierten Schätzeinrichtung empfangen wurden, um eine Durchflussrate eines Kühlmittels am Anschluss zu steuern. Die Ausgabe erfolgt als Antwort auf das Eintreten eines prädefinierten Feuchtigkeitszustands am Anschluss. Das Verfahren kann ferner das Schätzen einer Durchflussrate einer Sekundärdüse des Ejektors basierend auf linearisierten dynamischen Gleichungen eines Modells des HRS umfassen. Das Verfahren kann ferner das Berechnen einer Ejektordurchflussrate basierend auf einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms, Druckwerten an zwei Einlässen des Ejektors und Eigenschaften eines Primär- und eines Sekundärfluids umfassen. Das Verfahren kann ferner das Schätzen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Brennstoff im HRS basierend auf einer vorhergesagten Durchflussrate des Ejektors umfassen.
  • Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst ein HRS und eine Steuerung. Das HRS umfasst einen Ejektor und einen FCS mit einem Anodenanschluss. Die Steuerung ist konfiguriert, um ein HRS-Modell zu aktivieren, um eine Echtzeitschätzung einer relativen Feuchtigkeit des Anodenanschlusses basierend auf einer geschätzten Durchflussrate einer Sekundärdüse des Ejektors zu berechnen. Die Schätzung der relativen Feuchtigkeit kann auf Tankdruck, Anodeneinlassdruck, FCS-Einlass- und -Auslasstemperaturen und FCS-Strom basieren. Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, um eine Filtertechnik auf Ausgaben einer Feuchtigkeitssteuerungsstrategie anzuwenden, um Ungewissheiten der Berechnung der relativen Feuchtigkeit zu kompensieren. Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, um das HRS derart zu betreiben, dass eine vorbestimmte Menge von Stickstoff und Wasser vom HRS basierend auf einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Substanzen im Anodenanschluss gereinigt werden. Ferner kann die Steuerung konfiguriert sein, um eine Zustands- und Parameterschätzungstechnik anzuwenden, um Ungewissheiten der Schätzung der relativen Feuchtigkeit zu kompensieren. Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, um dynamische Gleichungen des Modells zu linearisieren, um eine Durchflussrate der Sekundärdüse des Ejektors vorherzusagen. Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, um eine Ejektordurchflussrate basierend auf einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms des Ejektors, Druckwerten an Einlässen des Ejektors und Eigenschaften eines Primär- und eines Sekundärfluids zu berechnen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer Brennstoffzelle.
  • 3 zeigt ein Beispiel eines Wasserstoffrückführungssystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Algorithmus zum Betreiben einer Architektur zur Schätzung der relativen Feuchtigkeit für einen Anodenanschluss eines Brennstoffstapels zeigt.
  • 5 zeigt ein Beispiel eines Ejektors des Wasserstoffrückführungssystems von 2.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Algorithmus zum Betreiben einer Architektur zur Schätzung der relativen Feuchtigkeit für einen Anodenanschluss eines Brennstoffzellenstapels zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es gilt jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und weitere Ausführungsformen diverse und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Funktionen könnten übertrieben oder minimiert sein, um Details bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Spezifische strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart sind, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern rein als repräsentative Grundlage zur Erörterung der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für Fachleute. Wie für Fachleute erkennbar sein wird, können verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine der Figuren gezeigt und beschrieben sind, mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren gezeigt sind, kombiniert werden, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit gezeigt oder beschrieben sind. Die Kombinationen von gezeigten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen oder Veränderungen der Merkmale gemäß den Erörterungen dieser Offenbarung können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen erwünscht sein.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellenfahrzeugs (FCV), das hier allgemein als Fahrzeug 10 bezeichnet wird. Das Fahrzeug 10 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 12 umfassen, die mit einem Getriebe 14 mechanisch verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 12 können in der Lage sein, als Motor oder als Generator zu funktionieren. Das Getriebe 14 kann auch mit einer Antriebswelle 20 mechanisch verbunden sein, die wiederum mit einem Satz von Vorderrädern 22 mechanisch verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 12 können eine Antriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen. Ein Brennstoffzellenstapel 24 kann elektrischen Strom bereitstellen, um Komponenten des Fahrzeugs 10 mit Leistung zu versorgen. Zum Beispiel kann ein Wasserstoffrückführungssystem mit dem Brennstoffzellenstapel betrieben werden, um Wasserstoffgas und Sauerstoff in elektrischen Strom zur Leistungsversorgung der elektrischen Maschinen 12 umzuwandeln. Der elektrische Strom kann als Ladung bezeichnet werden. Der Brennstoffzellenstapel 24 kann eine oder mehrere Brennstoffzellen umfassen, wie z. B. eine Polymerelektrolytmembran(PEM, polymer electrlyte membran)-Brennstoffzelle. Eine Leistungssteuereinheit 26 kann einen Elektrizitätsfluss im Fahrzeug 10 steuern. Zum Beispiel kann die Leistungssteuereinheit 26 den Elektrizitätsstrom zwischen dem Brennstoffzellenstapel 24 und den elektrischen Maschinen 12 steuern. Ein Wasserstoffspeichertank 30 kann Wasserstoffgas zur Verwendung für den Brennstoffstapel 24 speichern. Eine Hochleistungsbatterie 32 kann Energie speichern, die z. B. durch Nutzbremsung erzeugt wurde, und kann zusätzliche Leistung für die elektrischen Maschinen 12 bereitstellen.
  • Die verschiedenen oben beschriebenen Komponenten können eine oder mehrere zugeordnete Steuerungen zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle, die hier allgemein als PEM-Brennstoffzelle 40 bezeichnet wird. Die PEM-Brennstoffzelle 40 ist ein Beispiel für eine Brennstoffzelle, die im oben beschriebenen Brennstoffzellstapel 24 arbeiten kann. Die PEM-Brennstoffzelle 40 kann eine Anode 42, einen Elektrolyt 44 und eine Kathode 46 umfassen. Chemische Reaktionen können an Schnittstellen jeweils zwischen der Anode 42, dem Elektrolyt 44 und der Kathode 46 eintreten. Zum Beispiel kann die Anode 42 einen Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, erhalten und den Brennstoff oxidieren, um den Brennstoff in ein Ion mit positiver Ladung und ein Elektron mit negativer Ladung umzuwandeln. Der Elektrolyt 44 kann den Ionen erlauben, durch die Kathode 46 hindurchzutreten, während die Elektronen um den Elektrolyt 44 herum geleitet werden, um eine Ladung zu erzeugen. Die Elektronen können in der Kathode 46 zu den Ionen hinzukommen. Die Kathode 46 kann eine chemische Substanz, wie z. B. Sauerstoff, erhalten, damit dieser mit den Ionen und Elektronen reagiert, um z. B. Wasser oder Kohlendioxid zu erzeugen. Bipolare Platten 48 können die Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel in der PEM-Brennstoffzelle 40 unterstützen, indem sie die Wasserverwaltung mit der PEM-Brennstoffzelle 40 verwalten, Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellstapel trennen und die Wärmeverwaltung der PEM-Brennstoffzelle 40 erleichtern.
  • Wasserverwaltung in Bezug auf ein System, das eine Brennstoffzelle wie z. B. die PEM-Brennstoffzelle 40 umfasst, kann deren Leistungsfähigkeit beeinflussen. Zum Beispiel können Elektroden der Brennstoffzelle durch flüssiges Wasser überschwemmt werden, was aufgrund der übermäßigen Hydrierung über einen Normalzustand hinaus zu Brennstoffschädigung, Zellpotential- oder Stromumkehrung, oder Korrosion der Elektroden und bipolaren Platten führen kann. Im Gegensatz dazu kann eine unausreichende Hydrierung einen größeren Widerstand gegenüber dem Protonentransport in einer Membran, z. B. einem Elektrolyten, der Brennstoffzelle verursachen und eine radikale Beeinträchtigung der Membran begünstigen. Schwankungen in einem Hydrierungszustand des Systems können mechanische Belastungen in der Membran verursachen, die auch zu frühzeitigem Membranversagen führen können. Start- und Ausschaltzustände einer Brennstoffzelle können ebenfalls auf die Wasserverwaltung angewiesen sein, besonders im Kaltzustand.
  • Steuerungsstrategien können Hydrationsbedingungen während des Betriebs des Systems durch Einstellen von Temperaturen, Durchflussraten, Drücken und Strombedarf variieren, um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Systems zu verbessern. Die Steuerungsstrategien können eine akkurate Messung oder Schätzung des Hydrationszustands der Brennstoffzelle verwenden, um deren Betrieb zu verbessern. Ein Verfahren zur Schätzung einer relativen Feuchtigkeit einer Anodeneinlassströmung in Echtzeit basierend auf einer Ausgabe von Polynomchaos-basierten Schätzeinrichtungen kann einen Bedarf nach einem Sensor für relative Feuchtigkeit (oder Taupunkttemperatur) in einem Wasserstoffrückführungssystem beseitigen, wie im Folgenden beschrieben wird.
  • 3 zeigt ein Beispiel eines Wasserstoffrückführungssystems, das allgemein als Wasserstoffrückführungssystem 200 bezeichnet wird. Das Wasserstoffrückführungssystem 200 kann mit einer Brennstoffzelle, wie der oben beschriebenen PEM-Brennstoffzelle 40, betrieben werden. Das Wasserstoffrückführungssystem 200 kann einen Tank 204, ein erstes Ventil 206, einen Ejektor 210, ein Kontrollventil 212, ein erstes Rohr 214, einen Brennstoffzellstapel 216, ein zweites Rohr 218, ein Ausstoßabfluss 222 und ein zweites Ventil 224 umfassen. Der Tank 204 kann Trockenwasserstoff enthalten. Das erste Ventil 206 kann ein Druckkontrollventil sein, um das Einbringen einer vorbestimmten Menge von Trockenwasserstoff in den Ejektor 210 zu erleichtern. Der Trockenwasserstoff kann sich mit einem Wasserstoffgasgemisch, das vom Ausstoßabfluss 222 in den Ejektor 210 eintritt, mischen. Das aus dem Ejektor 210 austretende Gasgemisch kann durch das Kontrollventil 212 und das erste Rohr 214 hindurchtreten und zum Brennstoffzellstapel 216 gelangen. Ein Teil des Gasgemischs kann durch den Brennstoffzellstapel 216 verbraucht werden, und Wasser und Stickstoff, die von einer Kathode (nicht gezeigt) her kommen, können zum Gasgemisch im Brennstoffzellstapel 216 hinzukommen, um ein Brennstoffstapel-Austrittsgemisch zu definieren. Das Brennstoffstapel-Austrittsgemisch kann dann durch das zweite Rohr 218 hindurchtreten und zum Ausstoßabfluss 222 gelangen. Flüssiges Wasser des Brennstoffstapel-Austrittsgemischs kann durch den Ausstoßabfluss 222 entfernt werden. Der Abstoßabfluss 222 kann außerdem Stickstoffgas und Wasserstoffgas teilweise beseitigen. Eine prädefinierte Menge von Stickstoff und Wasser kann basierend auf einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Substanzen im Anodenanschluss gereinigt werden. Ein Rest des Gases des Brennstoffstapel-Austrittsgemischs kann zurück zum Ejektor 210 geleitet werden. Das zweite Ventil 224 kann dann etwaige verbleibende Flüssigkeit im Wasserstoffrückführungssystem 200 reinigen.
  • Ein Satz von drei Zustandsgleichungen kann beim Bereitstellen eines dynamischen Modells des Wasserstoffrückführungssystems 200 unterstützend wirken. Die drei Zustände sind ein Primärdruck P1 des Ejektors 210, ein Druck Pup im ersten Rohr 214, und ein Druck Pds im zweiten Rohr 218. Ein statisches Modell des Ejektors 210 kann die drei dynamischen Gleichungen miteinander verknüpfen. Eine Schätzeinrichtung kann das Modell des Wasserstoffrückführungssystems 200 verwenden, um den Verbrauch von Reaktionspartnern und die Erzeugung von Produkten im Brennstoffzellstapel 216 zu berechnen. Das Modell kann den molaren Anteil von Gasbestandteilen des Wasserstoffrückführungssystems 200 berechnen und die relative Feuchtigkeit von Wasserstoffgas in einem Anodenanschluss, wie z. B. einem Anodeneinlassanschluss 220 oder einem Anodenauslassanschluss 221, vorhersagen. Die Schätzeinrichtung kann ein linearisiertes Modell oder ein nicht linearisiertes Modell verwenden. Es ist zu erwägen, dass ein Modell des Wasserstoffrückführungssystems 200 ohne Verwendung von Volumenberechnungen des ersten Rohrs 214 und des zweiten Rohrs 218 funktionieren kann. Zum Beispiel kann ein Satz von Gleichungen, die ein statistisches Modell des Ejektors 210 verwenden, 0, 1, 2 oder mehr dynamische Gleichungen umfassen. Die statischen und/oder dynamischen Gleichungen können die primäre und die sekundäre Durchflussrate vorhersagen. Die Ungewissheiten bei der Vorhersage könnten durch Parameterschätzung und -filterung reduziert werden.
  • Ein linearisiertes Modell könnte bei der Vorhersage des Modells einer Durchflussrate durch eine Sekundärdüse eines Ejektors, wie des Ejektors 210, zusätzliche Ungewissheit verursachen. Es kann eine Polynomchaos-basierte Schätzungstechnik verwendet werden, um die Ungewissheit zu reduzieren und eine Schätzung der relativen Feuchtigkeit zu verbessern. 4 zeigt ein Beispiel eines Algorithmus zur Parameterschätzung, um die Feuchtigkeitsvorhersage zu verbessern. Dieser wird allgemein als Algorithmus 250 bezeichnet. Ein Sensor kann einen Druck eines Tanks im Schritt 254 messen. Ein Einlassdruckwert eines Brennstoffzellstapels kann bei Schritt 256 berechnet werden. Bei Schritt 258 kann ein Druck eines Anodenanschlusses basierend auf einem Wasserstoffrückführungssystemmodell vorhergesagt werden. Bei Schritt 260 kann ein Feuchtigkeitswert basierend auf dem Tankdruck und dem Einlassdruck berechnet werden. Der gemessene Einlassdruck und der vorhergesagte Druck können bei Schritt 262 verglichen werden, um einen Fehlerwert zu erhalten. Bei Schritt 264 kann eine Parameterschätzung oder -filterung angewandt werden, um eine Ungewissheit des Modells zu schätzen. Das Modell kann dann in Schritt 266 basierend auf der Parameterschätzung oder -filterung aktualisiert werden, um den vorhergesagten Feuchtigkeitswert des Modells zu verbessern.
  • 5 zeigt ein Beispiel eines Modells des Ejektors 210 zur Verwendung durch die Schätzeinrichtung. Eine primäre Wasserstoffströmung vom Tank 204 kann in einen ersten Einlass 300 des Ejektors 210 in Position 1 eintreten. Eine sekundäre Strömung vom Ausstoßabfluss 222 kann in einen zweiten Einlass 304 des Ejektors 210 in Position 2 eintreten. Die primäre Strömung kann in einer Primärdüse 306 in Position 3 Schallgeschwindigkeiten erreichen. Gepunktete Linien zwischen Position 4 und 5 können eine virtuelle Düse 310 zeigen. Die primäre Strömung und die sekundäre Strömung können beide in der virtuellen Düse 310 in Position 5 eine Schallgeschwindigkeit erreichen. Ein Bereich der virtuellen Düse 310 kann auf einer Geometrie des Ejektors 210, einer Machzahl des Primärstroms, Druckwerten am ersten Einlass 300 und am zweiten Einlass 304 und Eigenschaften von Fluiden der primären Strömung und der sekundären Strömung basiert sein. Ein linearer Ausgleich kann auf Machzahlen und einen Bereich einer Sekundärströmungsdüse in Position 5 für verschiedene Druckverhältnisse angewandt werden. Dynamische Gleichungen des Wasserstoffrückführungssystems 200 können durch Anwenden des linearen Ausgleichs linearisiert werden.
  • Zum Beispiel
    Figure DE102016117366A1_0002
    wobei P1 ein Fluiddruck am Primäreinlass des Ejektors ist, Pup ein Fluiddruck an einem Einlass der Brennstoffzellenstapelanode, d. h. ein Stromaufwärtsdruck ist, Pds ein Fluiddruck an einem Auslass der Brennstoffzellenstapelanode, d. h. ein Stromabwärtsdruck ist, PR der gemessene regulierte Druck des Tanks (oder der Wasserstoffquelle) ist, kτ ein Koeffizient, der einen Ejektoreinlassdruck mit einem Mengendurchsatz des Fluids aus dem Tank (oder der Wasserstoffquelle) hinaus in Verbindung bringt, ist, k1 ein Koeffizient in Bezug auf Eigenschaften des Primärfluids und eine Geometrie der Primärdüse des Ejektors ist, kup ein Koeffizient in Bezug auf Volumen, Temperatur, molare Masse und weitere Eigenschaften des Stromaufwärtsfluids ist, kΔP ein Koeffizient, der einen Druckabfall in der Stapelanode mit der Durchflussrate durch den Stapel in Verbindung bringt, ist, kds ein Koeffizient in Bezug auf Volumen, Temperatur, molare Masse und weitere Eigenschaften des Stromabwärtsfluids ist, A0 ein y-Abschnitt des linearen Ausgleichs des Bereichs der Sekundärdüse des Ejektors ist, kA ein Verlauf des linearen Ausgleichs zum Bereich der Sekundärdüse des Ejektors ist, k1 einen Anodendruckabfall mit einem elektrischen Strom des Stapels in Verbindung bringt, Wx eine Fluiddurchflussrate von der Kathode zur Anode im Stapel ist, WKO ein Mengendurchsatz von Fluid aus dem Anoden-Ausstoßabfluss hinaus ist und θ der Schätzungsparameter ist.
  • Ineffizienzen und Modellierungsvereinfachungen können zusätzliche Unsicherheiten bei der Berechnung des Sekundärdüsenbereichs und dem Mengendurchsatz des Sekundärfluids in den Ejektor 210 verursachen. Diese Ungewissheit ist durch den Parameter θ in Gleichung (2) modelliert. Techniken für die Schätzung maximaler Wahrscheinlichkeiten auf der Grundlage der Polynomchaostheorie können verwendet werden, um den ungewissen Parameter θ zu schätzen. Zum Beispiel kann θ im Sinne einer Chaosvariablen ξ, die eine Zufallsvariable mit bekannter vorheriger Verteilung ist, entwickelt werden. Wenn θ bekannte untere θmin und obere θmax Grenzen aufweist, kann ξ eine einheitlich verteilte Zufallsvariable im Intervall [–1, 1] sein. Die unbekannte Variable θ kann im Sinne von ξ wie folgt beschrieben werden:
    Figure DE102016117366A1_0003
  • Die Zustandsgleichungen von Gleichung (2) können als Entwicklung von orthogonalen Polynomfunktionen Φ(ξ) der Chaosvariable genähert werden.
    Figure DE102016117366A1_0004
  • Die Entwicklungen von Gleichung (4) können in Gleichung (2) rücksubstituiert und dann auf die orthogonalen Basisfunktionen Φ(ξ) projiziert werden. Dies führt zu einem entwickelten Satz von Zustandsgleichungen, wobei die Entwicklungskoeffizienten xup,i und xd,s,i, i = 0, ..., S – 1 die Systemzustände sind.
  • In Gleichung (5) ist II die S×S Einheitsmatrix. Zum Beispiel
    Figure DE102016117366A1_0005
  • Gleichung (5) kann auch die folgenden Definitionen verwenden:
    Figure DE102016117366A1_0006
  • Gleichung (5) ist keine Funktion von ξ, ist aber aufgrund von Projektionsaspekten deterministisch. Da linear, kann eine exakte numerische Integration unter Annahme eines Halteglieds nullter Ordnung zur Lösung verwendet werden, sobald Ausgangsbedingungen bekannt sind. Gleichung (5) kann verwendet werden, wenn ein Magnetventil stromaufwärts vom Ejektor geöffnet ist. Wenn das Magnetventil geschlossen ist, können die Drücke P1 und Pds gleich dem gemessenen Druck Pup werden. Für Ausgangsbedingungen und wann immer das Stromaufwärtsventil geschlossen ist (was aufgrund des impulsartigen Betriebs des Ejektors häufig sein kann), können die Zustände von Gleichung (5) auf die folgenden Werte eingestellt sein: xup,0 = Pup, xup,t = 0, t = 1, ..., S – 1 xds,0 = Pup, xds,t = 0, t = 1, ..., S – 1 P1 = Pup (11)
  • Der Betrieb des Ejektors kann impulsartig sein, weshalb die Gleichungen häufig auf ihre gemessenen Werte von Gleichung (11) zurückgesetzt sein können. Ein Zurücksetzen auf die gemessenen Werte von Gleichung (11) kann dabei helfen, eine Verschiebung der Zustandstrajektorien der Gleichungen (5) und (1) zu vermeiden. Ein Lösen von Gleichung (5) in Echtzeit stellt Entwicklungskoeffizienten bereit, und daher sind die Zufallsprozesse Pup und Pds (annähernd) in Echtzeit bekannt. Ein Ziel der Schätzung ist es, die wahrscheinlichste Realisierung der Zufallsvariable ξ zu bestimmen. Bei einer Realisierung ξ ^ von ξ kann der Zufallsprozess in eine deterministische Trajektorie kollabieren. Eine Schätzung der maximalen Wahrscheinlichkeit hat daher zum Ziel, die Realisierung von ξ derart auszuwählen, dass die resultierende Trajektorie P ^up(ξ ^) am meisten der gemessenen Variable Pup entspricht. Unter der Annahme, dass Messrauschen additives und Gauss'sches Rauschen ist, wird die Schätzung der maximalen Wahrscheinlichkeit die folgende Optimierung minimieren:
    Figure DE102016117366A1_0007
    wobei β ein Vergessensfaktor und äquivalent zum Minimieren einer Funktion ist
    Figure DE102016117366A1_0008
    wobei
    Figure DE102016117366A1_0009
    und
    Figure DE102016117366A1_0010
  • Da Gleichung (14) nicht vom unbekannten Parameter ξ abhängig ist, hat die Schätzung ξ ^k-1 im vorherigen Zeitschritt tk-1 keine Auswirkung auf die Schätzung ξ ^k des aktuellen Zeitschritts tk. Eine Vielfalt von Techniken kann zur Bestimmung der Schätzung von ξ ^k verwendet werden. Beispielsweise kann eine Realisierung ξ ^guess von ξ aus dem Intervall [–1, 1] in jedem Zeitschritt zufällig ausgewählt werden, und eine entsprechende Abweichung kann mit einer Abweichung der vorherigen besten Realisierung ξ ^k-1 verglichen werden. Ein Algorithmus kann die Realisierung mit der geringsten Abweichung behalten
    Figure DE102016117366A1_0011
  • Das Ergebnis kann in Gleichung (3) substituiert werden, die zur aktuellen Schätzung θ ^k von θ wird. θ ^k = θ0 + θ1ξ ^k (17)
  • Mit zunehmender Gewinnung von Informationen verbessern sich die Vorhersagen der Schätzeinrichtung von θ und Ungewissheiten im Modell werden reduziert, um die Fähigkeit des Modells einer akkuraten Vorhersage der relativen Feuchtigkeit von Fluid z. B. am Anodeneinlassanschluss 220 oder am Anodenauslassanschluss 221 des Brennstoffzellenstapels 216 zu verbessern.
  • In einem weiteren Beispiel kann die Schätzeinrichtung ein nichtlineares und zeitabhängiges Modell des Wasserstoffrückführungssystems zur Vorhersage der relativen Feuchtigkeit von Wasserstoffgas an einem Anodenanschluss, z. B. am Anodeneinlassanschluss 220 oder am Anodenauslassanschluss 221, verwenden. In diesem Beispiel kann das Modell den Verbrauch von Reaktionspartnern und die Erzeugung von Produkten im Brennstoffzellenstapel 216, wie molaren Anteilen der Gaskomponenten, berechnen. Um die Vorhersage der relativen Feuchtigkeit zu verbessern, kann eine Rückkopplungssteuerung das Signal für regulierten Wasserstoffdruck des Modells rund um den gemessenen Druck einstellen, sodass die Differenz zwischen der Vorhersage des Modells und der Messung des Anodeneinlassdrucks gegen null konvergiert. Die Rückkopplungssteuerung kann z. B. proportional-integral-differential, modellgestützt prädiktiv oder Zustandsbeobachter/Rückkopplung sein.
  • 6 zeigt ein Beispiel eines Algorithmus zur Parameterschätzung oder Filterschätzung zur Verbesserung einer Feuchtigkeitsvorhersage eines Abschnitts eines Wasserstoffrückführungssystems, der allgemein als Algorithmus 400 bezeichnet wird. Bei Schritt 402 können Sensor- und Aktuatordaten eines Wasserstoffrückführungssystems für einen Brennstoffzellenstapel eines Fahrzeugs gewonnen werden. Bei Schritt 404 kann eine Steuerung ein numerisches Modell des Wasserstoffrückführungssystems aktivieren, das unter Verwendung der gewonnenen Daten durchlaufen werden kann, um eine Vorhersage eines Drucks eines Anodenanschlusses des Systems zur Erhaltung von Anodenanschlusskonzentrationen von Feuchtigkeit, Reaktionsgas und Schutzgas zu identifizieren. Das Reaktionsgas kann zum Beispiel ein stöchiometrisches Verhältnis von Substanzen des Anodenanschlusses umfassen. Ferner kann bei Schritt 406 die Steuerung die Vorhersagen des Modells mit dem gemessenen Druck des Anodenanschlusses vergleichen, um zu ermitteln, ob die Drücke zusammenpassen. Wenn die Drücke nicht zusammenpassen, kann die Steuerung bei Schritt 408 eine Parameterschätzung oder -filterung aktivieren, um eine Ungewissheit des Modells zu schätzen. Bei Schritt 410 kann das Modell aktualisiert werden, um die Ungewissheit zu kompensieren, sodass das numerische Modell in Schritt 404 mit aktualisierten Daten wieder aktiviert werden kann. Wenn die Drücke bei Schritt 406 zusammenpassen, sind die Vorhersagen des Modells in Bezug auf die Anodenanschlusskonzentrationen von Feuchtigkeit, Reaktionsgas und Schutzgas verlässlich für die Berechnung der relativen Feuchtigkeit des Anodenanschlusses des Systems.
  • Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle, von den Ansprüchen umfassten, möglichen Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind Begriffe der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung auszubilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen in Bezug auf eines oder mehrere gewünschte Merkmale als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach Stand der Technik beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass eine(s) oder mehr Funktionen oder Merkmale verändert werden können, um gewünschte allgemeine Systemeigenschaften zu erreichen, die von den spezifischen Anwendungen und Umsetzungen abhängen. Diese Eigenschaften umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Vermarktbarkeit, Erscheinung, Konsistenz, Stabilität, Kundenakzeptanz, Zuverlässigkeit, Genauigkeit usw. Ausführungsformen, die in Bezug auf eines oder mehr Merkmale als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, liegen deshalb nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
  • Es ist ferner beschrieben:
    • A. Wasserverwaltungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (FCS), umfassend: das Ausgeben eines für einen FCS-Anodenanschluss vorhergesagten Werts relativer Feuchtigkeit über eine Steuerung als Antwort auf das Eintreten eines für den FCS-Anodenanschluss vorhergesagten Werts relativer Feuchtigkeit von einem Modell eines Wasserstoffrückführsystems (HRS) des FCS innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, basierend auf dem Verbrauch von Reaktionspartnern und der Erzeugung von Produkten im FCS, und das Anpassen einer Befeuchtungssteuerungsstrategie basierend auf diesem Wert.
    • B. Verfahren nach A, wobei der vorhergesagte Wert der relativen Feuchtigkeit auf einem gemessen HRS-Tankdruck, einem gemessenen FCS-Anodenanschlussdruck und einem vorhergesagten FCS-Anodenanschlussdruck vom Modell basiert ist.
    • C. Verfahren nach A, ferner umfassend das Vorhersagen einer Durchflussrate einer Sekundärdüse eines Ejektors des HRS basierend auf linearisierten dynamischen Gleichungen, die das Modell definieren.
    • D. Verfahren nach C, wobei das Vorhersagen ein Anwenden einer Polynomchaosschätzung auf die Feuchtigkeitssteuerungsstrategie umfasst, um Unsicherheiten zu kompensieren.
    • E. Verfahren nach C, wobei das Vorhersagen das Filtern von Ausgaben der Befeuchtungssteuerungsstrategie umfasst, um Unsicherheiten zu kompensieren.
    • F. Verfahren nach A, ferner umfassend das Berechnen einer Ejektordurchflussrate basierend auf einem Bereich einer virtuellen Ejektordüse des HRS, abgeleitet von einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms, Druckwerten an zwei Einlässen des Ejektors und Eigenschaften von Primär- und Sekundärfluiden.
    • G. Verfahren nach A, ferner umfassend das Identifizieren eines Zustands einer Membran des FCS basierend auf dem Wert und Ausgeben des Zustands.
    • H. Verfahren nach A, ferner umfassend das Identifizieren eines Verbrauchs von Reaktionspartnern und einer Erzeugung von Produkten im FCS durch ein zeitabhängiges Modell des HRS.
    • I. Verfahren nach A, ferner umfassend das Einstellen eines Signals für regulierten Wasserstoffdruck des Modells über eine Rückkopplungssteuerung, sodass ein Wert des Signals mit einem Wert der tatsächlichen Druckmessung zu einem im Wesentlichen gleichen Wert konvergiert.
    • J. Feuchtigkeitsschätzungsverfahren für einen Anodenanschluss eines Brennstoffzellstapels (FCS), umfassend: das Ausgeben einer Aktivierungssequenz für einen Ejektor eines HRS über eine Steuerung als Antwort auf das Eintreten eines prädefinierten Feuchtigkeitszustands am Anschluss, basierend auf Daten, die von einer Polynomchaos-basierten Schätzeinrichtung empfangen wurden, um eine Durchflussrate eines Kühlmittels am Anschluss zu steuern.
    • K. Verfahren nach J, ferner umfassend das Schätzen einer Durchflussrate einer Sekundärdüse des Ejektors basierend auf linearisierten dynamischen Gleichungen eines Modells des HRS.
    • L. Verfahren nach J, ferner umfassend das Berechnen einer Ejektordurchflussrate basierend auf einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms, Druckwerten an zwei Einlässen des Ejektors und Eigenschaften eines Primär- und eines Sekundärfluids.
    • M. Verfahren nach J, ferner umfassend das Schätzen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Brennstoff im HRS basierend auf einer vorhergesagten Durchflussrate des Ejektors.
    • N. Brennstoffzellenfahrzeug, umfassend: ein Wasserstoffrückführungssystem (HRS), das einen Ejektor und einen Brennstoffzellstapel (FCS) mit einem Anodenanschluss umfasst; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um ein HRS-Modell zu aktivieren, um eine Echtzeitschätzung einer relativen Feuchtigkeit des Anodenanschlusses basierend auf einer geschätzten Durchflussrate einer Sekundärdüse des Ejektors zu berechnen.
    • O. Fahrzeug nach N, wobei die Schätzung der relativen Feuchtigkeit auf Tankdruck, Anodeneinlassdruck, FCS-Einlass- und -Auslasstemperaturen und FCS-Strom basiert.
    • P. Fahrzeug nach N, wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um eine Filtertechnik auf Ausgaben einer Feuchtigkeitssteuerungsstrategie anzuwenden, um Ungewissheiten der Berechnung der relativen Feuchtigkeit zu kompensieren.
    • Q. Fahrzeug nach N, wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um das HRS derart zu betreiben, dass eine vorbestimmte Menge von Stickstoff und Wasser vom HRS basierend auf einem stöchiometrischen Verhältnis zwischen Substanzen im Anodenanschluss gereinigt wird.
    • R. Fahrzeug nach N, wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um eine Zustands- und Parameterschätzungstechnik anzuwenden, um Ungewissheiten der Schätzung der relativen Feuchtigkeit zu kompensieren.
    • S. Fahrzeug nach R, wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um dynamische Gleichungen des Modells zu linearisieren, um eine Durchflussrate der Sekundärdüse des Ejektors vorherzusagen.
    • T. Fahrzeug nach R, wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um eine Ejektordurchflussrate basierend auf einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms des Ejektors, Druckwerten an Einlässen des Ejektors und Eigenschaften eines Primär- und eines Sekundärfluids zu berechnen.

Claims (10)

  1. Wasserverwaltungsverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (FCS), umfassend: das Ausgeben eines für einen FCS-Anodenanschluss vorhergesagten Werts relativer Feuchtigkeit über eine Steuerung als Antwort auf das Eintreten eines für den FCS-Anodenanschluss vorhergesagten Werts relativer Feuchtigkeit von einem Modell eines Wasserstoffrückführsystems (HRS) des FCS innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, basierend auf dem Verbrauch von Reaktionspartnern und der Erzeugung von Produkten im FCS, und das Anpassen einer Befeuchtungssteuerungsstrategie basierend auf diesem Wert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorhergesagte Wert der relativen Feuchtigkeit auf einem gemessen HRS-Tankdruck, einem gemessenen FCS-Anodenanschlussdruck und einem vorhergesagten FCS-Anodenanschlussdruck vom Modell basiert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Vorhersagen einer Durchflussrate einer Sekundärdüse eines Ejektors des HRS basierend auf linearisierten dynamischen Gleichungen, die das Modell definieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Vorhersagen ein Anwenden einer Polynomchaosschätzung auf die Feuchtigkeitssteuerungsstrategie umfasst, um Unsicherheiten zu kompensieren.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Vorhersagen das Filtern von Ausgaben der Befeuchtungssteuerungsstrategie umfasst, um Unsicherheiten zu kompensieren.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Berechnen einer Ejektordurchflussrate basierend auf einem Bereich einer virtuellen Ejektordüse des HRS, abgeleitet von einer Geometrie des Ejektors, einer Machzahl eines Primärstroms, Druckwerten an zwei Einlässen des Ejektors und Eigenschaften von Primär- und Sekundärfluiden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Identifizieren eines Zustands einer Membran des FCS basierend auf dem Wert und Ausgeben des Zustands.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Identifizieren eines Verbrauchs von Reaktionspartnern und einer Erzeugung von Produkten im FCS durch ein zeitabhängiges Modell des HRS.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Einstellen eines Signals für regulierten Wasserstoffdruck des Modells über eine Rückkopplungssteuerung, sodass ein Wert des Signals mit einem Wert der tatsächlichen Druckmessung zu einem im Wesentlichen gleichen Wert konvergiert.
  10. Feuchtigkeitsschätzungsverfahren für einen Anodenanschluss eines Brennstoffzellstapels (FCS), umfassend: das Ausgeben einer Aktivierungssequenz für einen Ejektor eines HRS über eine Steuerung als Antwort auf das Eintreten eines prädefinierten Feuchtigkeitszustands am Anschluss, basierend auf Daten, die von einer Polynomchaos-basierten Schätzeinrichtung empfangen wurden, um eine Durchflussrate eines Kühlmittels am Anschluss zu steuern.
DE102016117366.5A 2015-09-25 2016-09-15 Einrichtungen zur schätzung der relativen feuchtigkeit für brennstoffzellenanschlüsse Pending DE102016117366A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/866,090 US9997795B2 (en) 2015-09-25 2015-09-25 Relative humidity estimators for fuel cell stack ports
US14/866,090 2015-09-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102016117366A1 true DE102016117366A1 (de) 2017-03-30

Family

ID=58282113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016117366.5A Pending DE102016117366A1 (de) 2015-09-25 2016-09-15 Einrichtungen zur schätzung der relativen feuchtigkeit für brennstoffzellenanschlüsse

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9997795B2 (de)
CN (1) CN106992310B (de)
DE (1) DE102016117366A1 (de)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6447838B2 (ja) * 2016-11-21 2019-01-09 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
US10871519B2 (en) 2017-11-07 2020-12-22 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell stack prediction utilizing IHOS
US10714767B2 (en) 2017-12-07 2020-07-14 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Fuel cell air system safe operating region
US10971748B2 (en) 2017-12-08 2021-04-06 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Implementation of feedforward and feedback control in state mediator
US10665875B2 (en) 2017-12-08 2020-05-26 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Path control concept
US11482719B2 (en) 2017-12-08 2022-10-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Equation based state estimate for air system controller
US10590942B2 (en) 2017-12-08 2020-03-17 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Interpolation of homotopic operating states
US10985391B2 (en) 2018-03-06 2021-04-20 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Real time iterative solution using recursive calculation
US10547070B2 (en) 2018-03-09 2020-01-28 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. STL actuation-path planning
KR20200071255A (ko) * 2018-12-11 2020-06-19 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 수소 공급 제어 방법
CN109827866B (zh) * 2019-02-28 2022-05-10 东南大学 一种质子交换膜燃料电池阴极侧含水量的软测量及闭环控制方法
CN113707916B (zh) * 2021-07-23 2023-08-04 上海重塑能源科技有限公司 燃料电池湿度估算方法及估算系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100527469B1 (ko) * 2003-10-10 2005-11-09 현대자동차주식회사 연료 전지 스택의 온도/습도 제어장치 및 방법
US7862935B2 (en) 2005-05-17 2011-01-04 Gm Global Technology Operations, Inc. Management via dynamic water holdup estimator in a fuel cell
US9306230B2 (en) * 2009-11-19 2016-04-05 GM Global Technology Operations LLC Online estimation of cathode inlet and outlet RH from stack average HFR
US20110195324A1 (en) * 2010-02-10 2011-08-11 Gm Global Technology Operations, Inc. Methods and processes to recover voltage loss of pem fuel cell stack
US8603688B2 (en) * 2010-10-27 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Anode gas composition utilizing H2 injection pressure wave propagation rates
US20130252116A1 (en) 2012-03-21 2013-09-26 GM Global Technology Operations LLC Model Based Approach For In-Situ WVTD Degradation Detection In Fuel Cell Vehicles
US9172103B2 (en) 2013-01-15 2015-10-27 GM Global Technology Operations LLC Transient inlet relative humidity estimation via adaptive cathode humidification unit model and high frequency resistance
US9502726B2 (en) 2013-03-14 2016-11-22 GM Global Technology Operations LLC Cathode humidification unit adapting degradation factor
US9595725B2 (en) * 2013-05-03 2017-03-14 Ford Global Technologies, Llc Heated ejector assembly for a fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
US9997795B2 (en) 2018-06-12
CN106992310B (zh) 2021-05-28
US20170092972A1 (en) 2017-03-30
CN106992310A (zh) 2017-07-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016117366A1 (de) Einrichtungen zur schätzung der relativen feuchtigkeit für brennstoffzellenanschlüsse
DE102008006734B4 (de) Verfahren zur berechnung einer polarisationskurve eines brennstoffzellenstapels sowie brennstoffzellensystem
DE102009004856B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem
DE102013221400B4 (de) Verfahren zum prädiktiven steuern der drehzahl eines verdichters, der in verbindung mit einem brennstoffzellenstapel verwendet wird
DE112008003004B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Verringerung des Stroms derselben
DE102019123562B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009050938B4 (de) Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel
DE102014223737A1 (de) Spülsteuersystem und -verfahren für eine brennstoffzelle
DE102014225044A1 (de) System und Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels und zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems
DE102015118845A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Luftkompressors
DE102008055803B4 (de) System und Verfahren zur modellbasierten Abgasmischsteuerung in einer Brennstoffzellenanwendung
DE102015222149A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Spülventils eines Brennstoffzellenfahrzeugs
DE102015207678A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum steuern eines wasserstoffspülens
DE112008001378T5 (de) System zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene und Verfahren zum Abschätzen eines Zustands einer Brennstoffzelle innerhalb einer Ebene
DE10222422A1 (de) Brennstoffzellen-Steuer/Regelvorrichtung und Brennstoffzellenfahrzeug-Steuer/Regelvorrichtung
DE102016116049A1 (de) Verfahren zum Schätzen eines Zustandsvektors eines Brennstoffzellensystems, Verfahren zum Steuern oder Regeln einer Zustandsgröße eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102018209301A1 (de) Verfahren und System zum Abschätzen der Wasserstoffkonzentration für Brennstoffzellen
DE102011107183A1 (de) Verfahren zur Vorhersage der minimalen Zellenspannung aus dem diskreten minimalen Zellenspannungsausgang einer Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung
DE102017214967A1 (de) Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands eines Befeuchters und Brennstoffzellensystem
WO2021073881A1 (de) Verfahren zum inbetriebsetzen eines brennstoffzellen-stack
DE102019218215A1 (de) System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle und System und Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle unter Verwendung desselben
DE112010004174T5 (de) Brennstoffzellensystem undsteuerverfahren für ein brennstoffzellensystem
DE102012105327A1 (de) Verfahren zur Korrektur von Permeationsunsicherheiten unter Verwendung eines Konzentrationssensors
DE102019206947A1 (de) Verfahren und system zur steuerung der wasserstoffversorgung eines brennstoffzellensystems
DE102014100186A1 (de) Schätzung transienter relativer Feuchte eines Einlasses mittels eines adaptiven Modells einer Kathodenbefeuchtungseinheit und eines Hochfrequenzwiderstands

Legal Events

Date Code Title Description
R082 Change of representative

Representative=s name: ETL IP PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE

Representative=s name: ETL IP PATENT- UND RECHTSANWALTSGESELLSCHAFT M, DE

Representative=s name: ETL WABLAT & KOLLEGEN PATENT- UND RECHTSANWALT, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: ETL IP PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH, DE

Representative=s name: ETL IP PATENT- UND RECHTSANWALTSGESELLSCHAFT M, DE

R012 Request for examination validly filed