DE102016117432A1 - Systeme und Verfahren zur Initiierung der Spannungswiederherstellung in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Systeme und Verfahren zur Initiierung der Spannungswiederherstellung in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Systeme und Verfahren zum Einleiten der Spannungswiederherstellungsvorgänge in einem Brennstoffzellensystem, teilweise basierend auf einer geschätzten spezifischen Aktivität über die Lebensdauer eines Brennstoffzellenkatalysators werden vorgestellt. In bestimmten Ausführungsformen können der SA-Verlust des Katalysators und der Verlust der elektrochemischen Oberfläche eines BZ-Systems geschätzt werden. Eine Ausgabespannung des BZ-Systems kann geschätzt werden, basierend auf dem geschätzten SA-Verlust und dem Verlust der elektrochemischen Oberfläche. Eine Menge eines wiederherstellbaren Spannungsverlustes kann bestimmt werden, basierend auf einem Vergleich zwischen der geschätzten Ausgabespannung und einer gemessenen Ausgabespannung. Basierend auf der ermittelten Größe des wiederherstellbaren Spannungsverlustes, kann ein Steuervorgang eines BZ-Systems eingeleitet werden (z. B. ein Spannungswiederherstellungsvorgang).

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zur Initiierung der Spannungswiederherstellung in einem Brennstoffzellensystem. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betrifft diese Offenbarung Systeme und Verfahren zur Initiierung der Spannungswiederherstellung in einem Brennstoffzellensystem, teilweise basierend auf einer geschätzten spezifischen Aktivität eines damit verbundenen Brennstoffzellenkatalysators.
  • 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.
  • Im Zeitverlauf kein eine PAMBZ aufgrund einer Vielzahl von Mechanismen und/oder Verfahren den Verlust von Betriebsspannung erleiden, wodurch die Leistung der PAMBZ reduziert wird. Bestimmte PAMBZ-Spannungsverluste können wiederherstellbar sein, durch Einleitung von Spannungswiederherstellungsverfahren in der PAMBZ, während andere nicht wiederherstellbar sein können (z. B. Verluste, die der Elektroden-Degradierung zugeschrieben werden). Bestimmte Wiederherstellungsvorgänge können jedoch eine minimale, nicht wiederherstellbare Degradation des PAMBZ-Systems verursachen. Dementsprechend, können solche Vorgänge eingeleitet werden, wenn Spannungsverlustwiederherstellung wirkungsvoll realisiert werden kann. Es kann ferner schwierig sein, wiederherstellbare Spannungsverluste von nicht wiederherstellbaren Spannungsverlusten zu differenzieren, wodurch es schwer wird, zu bestimmen, wann Spannungswiederherstellungsvorgänge durchgeführt werden sollen. Konventionelle Verfahren stellen möglicherweise keine ausreichend genaue Abschätzung der Spannung im Lauf der Betriebslebensdauer eines BZ-Systems bereit, wodurch die Kraftstoffeffizienz über die Lebensdauer des BZ-Systems reduziert wird.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Hier dargestellte Systeme und Verfahren können in Verbindung mit der Initiierung eines Spannungswiederherstellungsvorgangs in einem BZ-System verwendet werden. Wie hierin verwendet, kann ein BZ-System und/oder ein PAMBZ-System eine einzelne Zelle, oder alternativ, möglicherweise mehrere Zellen in einer Stapelkonfiguration beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen kann beim Starten eines Spannungswiederherstellungsvorgangs zu einer Zeit, wenn das BZ-Systems einen bestimmten Schwellenwert der Spannungswiederherstellung erfährt, eine Spannungswiederherstellung realisiert werden, während jegliche BZ-Schädigung infolge des Spannungswiederherstellungsvorgangs reduziert wird. Hier offenbarte Ausführungsformen können weiterverwendet werden zur Einleitung eines Spannungswiederherstellungsvorgangs bei einem Zeitpunkt, bei dem nicht erwartet wird, dass eine solche Vorgehensweise die Leistung eines damit verbundenen Fahrzeugs negativ beeinträchtigt (z. B., während Zeiträumen mit einem geringen Fahrzeugbetrieb oder dergleichen).
  • Verschiedene Abbau-Modi in einem BZ-System können mit nicht wiederherstellbarem Spannungsverlust verbunden sein. So kann beispielsweise ein irreversibler und/oder anderweitig nicht wiederherstellbarer Spannungsverlust dem Verlust von elektrochemischen Oberflächen („ECO“) im BZ-System und dem Verlust einer Katalysator-spezifischen Aktivität („SA“) zugeschrieben werden. Eine Verunreinigung der Anode und/oder Kathode kann jedoch zu wiederherstellbarem Spannungsverlust führen.
  • Wie oben erläutert, kann es bei alleiniger Betrachtung des Gesamtspannungsverlustes schwierig sein, den wiederherstellbaren Spannungsverlust vom nicht wiederherstellbaren Spannungsverlust zu unterscheiden, was die Quantifizierung einer Menge einer möglichen Spannungswiederherstellung von einem gesamten Spannungsverlust, die durch einen Spannungswiederherstellungsvorgang realisierbar ist, kompliziert. Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen, kann ein nicht wiederherstellbarer Spannungsverlust bestimmt werden, basierend auf einem geschätzten ECO-Verlust und einem geschätzten Katalysator-SA-Verlust. Ausgehend von dem festgestellten, nicht wiederherstellbaren Spannungsverlust und dem gesamten Spannungsverlust, kann eine Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust bestimmt werden, die in Verbindung mit der Bestimmung eines Zeitpunkts zum Initiieren eines Spannungswiederherstellungsvorgangs im BZ-System verwendet werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Starten eines Spannungswiederherstellungsvorgangs in einem BZ-System (z. B. Betrieb des BZ-Systems bei einer niedrigeren als der Standard-Betriebs-Strömungsrate und -Spannung, Erhöhen der Befeuchtung des BZ-Systems, Erhöhen der Kühlung des Brennstoffzellensystems durch eine zugeordnete Kühlung für eine Zeitdauer, usw.) das Schätzen eines SA-Verlustes eines Katalysators des BZ-Systems, basierend auf einer Menge an Oxidwachstum und/oder einer Oxidwachstumsrate, Schätzung des Verlustes einer elektrochemischen Oberfläche des BZ-Systems, und Schätzung einer Ausgabespannung des BZ-Systems auf Basis des geschätzten SA-Verlustes und des Verlustes der elektrochemischen Oberfläche (z. B. unter Verwendung eines Leistungsmodells des BZ-Systems bei einer eingestellten Stromdichte oder dergleichen) beinhalten. Eine Ausgabespannung des BZ-Systems kann gemessen werden, und eine Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust kann bestimmt werden, basierend auf einem Vergleich zwischen der geschätzten Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung. Wenn die bestimmte Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust einen Schwellenwert überschreitet, kann mindestens eine Steuermaßnahme des BZ-Systems (z. B. ein Spannungswiederherstellungsvorgang) eingeleitet werden und/oder zu einem späteren Zeitpunkt ausgelöst werden.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann das soeben beschriebene Verfahren von Steuerelektronik, in Verbindung mit einem PAMBZ-System 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-Systems, das in einem Fahrzeug enthalten ist, in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen.
  • 2A zeigt ein Diagramm einer exemplarischen Beziehung zwischen SA-Verlust und Zykluszeit für eine Vielzahl von Spannungszyklustests eines exemplarischen BZ-Systems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen.
  • 2B zeigt ein Diagramm einer exemplarischen Korrelation zwischen SA-Verlust und einer Gesamtoxidationsladung in einem exemplarischen BZ-System, in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen.
  • 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens für Einleitung einer Spannungswiederherstellung in einem BZ-System, in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen.
  • 4 veranschaulicht ein Diagramm eines exemplarischen Systems, das für die Implementierung verschiedener Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren verwendet werden kann.
  • DETAILLIERTE 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.
  • Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren können in Verbindung mit dem Bestimmen einer Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust in einem BZ-System, teilweise basierend auf einem gesamten Spannungsverlust, einem geschätzten ECO-Verlust und einem abgeschätzten Katalysator-SA-Verlust, verwendet werden. So kann beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen eine geschätzte ECO und ein geschätzter Katalysator-SA-Verlust zur Bestimmung eines nicht wiederherstellbaren Spannungsverlusts verwendet werden. Ausgehend von dem festgestellten, nicht wiederherstellbaren Spannungsverlust und dem gesamten Spannungsverlust kann eine Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann die bestimmte Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust in Verbindung mit dem Bestimmen des Zeitpunkts zum Initiieren eines Spannungswiederherstellungsvorgangs im BZ-System 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-Batteriesystem („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 Niederspannungsbatterie gekoppelt sein und kann zur Energieversorgung einer Vielzahl von Fahrzeug 100-Systemen konfiguriert sein, einschließlich beispielsweise Fahrzeugstartsystemen (z. B. einem Anlassermotor), Lichtsystemen, Zündsystemen, Klimasteuerungssysteme und dergleichen. 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 ECO-Verlust und/oder Katalysator-SA-Verlust zu schätzen, einen geschätzten, nicht wiederherstellbaren Spannungsverlust festzulegen, einen geschätzten wiederherstellbaren Spannungsverlust festzulegen, und/oder eine Gesamtspannung und/oder einen gesamten Spannungsverlust festzulegen. 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 Kontrollsystem 106 veranschaulicht, ist zu bemerken, dass Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren unter Verwendung einer Vielzahl von geeigneten Kontroll- 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. So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen das Modul 116 die Systeme 104, 108, und/oder 110 veranlassen, eine Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust in einem BZ-System, teilweise basierend auf einem gesamten Spannungsverlust, einem geschätzten ECO-Verlust und einem geschätzten Katalysator-SA-Verlust, 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 dem bestimmten wiederherstellbaren Spannungsverlust.
  • 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.
  • 2A zeigt ein Diagramm 200a einer exemplarischen Beziehung zwischen SA 204 (z. B. angegeben in µA/cm2 Pt) und Zykluszeit 202 (z. B. angegeben in Stunden) für eine Vielzahl von Spannungs-Zyklustests eines exemplarischen BZ-Systems. Besonders Diagramm 200a veranschaulicht SA 204 Verlust gegenüber Zykluszeit 202 für 25 exemplarische Spannungs-Zyklustests eines BZ-Systems, die Schwankungen der Temperatur und relativen Feuchte berücksichtigen. Wie dargestellt, kann mit zunehmender Zykluszeit 202 die SA 204 des BZ-Katalysators abnehmen, und trägt dadurch zum nicht wiederherstellbaren Spannungsverlust im BZ-System bei.
  • 2B zeigt ein Diagramm 200b einer exemplarischen Korrelation (z. B. Kurve 208) zwischen SA 204 und einer Gesamt-Oxidationsladung und/oder eines Schädigungsfaktors („φ“) 206 in einem exemplarischen BZ-System in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. In bestimmten Ausführungsformen, kann ein BZ-System einen Katalysator verwenden, umfassend Platin („Pt“ oder „Pt-Legierung“), der im BZ-System oxidieren kann, um zwei Zustände des Oxids zu bilden, PtO und PtOO. In bestimmten Ausführungsformen, kann ein Oxidmodell zur Berechnung einer Menge eines PtO- und/oder PtOO-Wachstums im BZ-System und/oder der Rate des Oxidwachstums mit der Zeit verwendet werden.
  • So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen ein durch ein BZ-Steuersystem (z. B., ein internes und/oder externes Fahrzeugsteuersystem) ausgeführtes Modul während eines Antriebszyklus zwei Zustände des Oxids, PtO und PtOO, in situ mit einem geeigneten Oxidmodell bestimmen. In einigen Ausführungsformen können die Eingaben in das Oxidmodell verschiedene Antriebszyklus-Parameter, einschließlich, beispielsweise, Stromdichte, Zellspannung, Temperatur, und/oder relative Feuchtigkeit beinhalten. Basierend, mindestens teilweise auf dieser Information, kann das Oxidmodell eine Abschätzung einer Menge von PtO- und/oder PtOO-Wachstum im BZ-System und/oder der Rate des Oxidwachstums mit der Zeit bereitstellen.
  • In bestimmten Ausführungsformen können Informationen bezüglich des Oxidwachstums in der BZ in Verbindung mit der Schätzung der SA 204 der BZ verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die SA 204 der BZ zu einer gegebenen Zeit gemäß Folgendem ausgedrückt werden: iS.A,t=T = iS.A,t=0(1 – a(φ/b)β) Gl. 1
  • Wobei, a, b, und β Konstanten sind, die basierend auf Charakterisierungstests einer bestimmten BZ-Konstruktion bestimmt wurden, und φ eine Gesamt-Oxidationsladung und/oder ein Schädigungsfaktor ist. In einigen Ausführungsformen kann die Prüfung an einer BZ durchgeführt werden, um Daten zu einem bestimmten Aktivitätsabfall zu erlangen, basierend auf Faktoren einschließlich, beispielsweise, Spannungszyklus, Temperatur, und/oder relativer Feuchtigkeit. In bestimmten Ausführungsformen kann diese Prüfung bestimmte, in Diagramm 200a dargestellte Daten veranschaulichen. Mit einem Oxidmodell kann eine Gesamt-Oxidationsladung gemäß Gl. 2 für verschiedene Spannungszyklen erhalten werden. Die funktionelle Form von Gl. 1 kann verwendet werden, um Parameter a und b zu erhalten, um damit Fehler zwischen den Daten und dem Modell zu reduzieren und/oder anderweitig zu minimieren. In einigen Ausführungsformen können zwei oder drei Datensätze ausreichend sein, um Parameter a, b und β zu erhalten, obwohl jede geeignete Anzahl an Datensätze ebenfalls verwendet werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen, kann die Gesamt-Oxidationsladung und/oder ein Schädigungsfaktor durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:
    Figure DE102016117432A1_0002
    wobei k, n und m Konstanten sind, die basierend auf Charakterisierungstests einer bestimmten BZ-Konstruktion bestimmt wurden. In einigen Ausführungsformen können zusätzliche Terme verwendet werden, um die Ausrichtung der gemessenen Datensätze mit der in Gl. 1 ausgedrückten Korrelation zu verbessern.
  • In einigen Ausführungsformen, kann der SA-Abfall mit dem Verlust eines Legierungselements des Katalysators während eines Antriebszyklus zusammenhängen. Die Injektion von Leerstellen infolge des Oxidations-/Reduktionsprozesses, die während eines Spannungszyklus eines BZ-Stapels auftreten, können eine weitere Ursache für den Abfall der Katalysator-Oberflächenaktivität sein. Eine Gesamtoxidationsladung und/oder ein Schädigungsfaktor, φ, können sich auf die gesamten, während den Spannungszyklen oder Antriebszyklus injizierten Leerstellen beziehen. Parameter, a, b und β sind Alterungsfaktoren, die mit der Zeit die Größe der SA verändern können. Während eines Oxidations-/Reduktionsprozesses in einem Spannungszyklus bilden sich zwei Arten von Oxiden (PtO und PtOO), die Leerstellen mit unterschiedlichen Raten injizieren. Mit dem Parameter k in Gl. 2 kann der Beitrag der durch PtOO gebildeten Leerstellen im Vergleich zu den durch PtO gebildeten Leerstellen dargestellt werden
  • 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 300 für die Einleitung einer Spannungswiederherstellung in einem BZ-System, 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, einer BZ-Steuerung und/oder jedem anderen geeigneten Computersystem durchgeführt werden.
  • Bei 302 kann das Verfahren 300 initiiert werden. Bei 304 können ECO, ein Störstrom und/oder Wasserstoffübertragung, ix, und/oder ein Kurzschlusswiderstand Rs des BZ-Systems geschätzt werden. Beim Abschalten des Fahrzeugs kann der Abfall der BZ-Spannung auf null in drei unterschiedlichen Stufen definiert werden. Die Informationen zum Spannungsabfall in diesen Stufen können verwendet werden, um Parameter, wie ECO, einen Störstrom und/oder Wasserstoffübertragung, ix, und/oder einen Kurzschlusswiderstand Rs des BZ-Systems, zu extrahieren. In einigen Ausführungsformen kann der ECO-Verlust mithilfe von Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren im allgemein zugeordneten US-Patent mit der Nr. 8,450,020 , mit dem Titel „In-vehicle algorithm for fuel cell stack health quantification“, bestimmt werden, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
  • Bei 306 kann die SA des Katalysators im BZ-System geschätzt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die SA des Katalysators im BZ-System geschätzt werden, basierend auf Informationen zum Oxidwachstum (z. B., Informationen zu Oxidwachstum und Oxidwachstumsrate), wie weiter oben erörtert.
  • Basierend auf den bei 304 und 306 geschätzten Informationen, kann bei 308 eine geschätzte Ausgabespannung, Vest, des BZ-Systems bei einer bestimmten Stromdichte bestimmt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die geschätzte Ausgabespannung bestimmt werden, unter Verwendung eines Leistungsmodells des BZ-Systems. In einigen Ausführungsformen kann ein BZ-Steuersystem ein Leistungsschätzmodul umfassen, konfiguriert, um Leistung oder Zellspannung bei einer bestimmten Stromdichte zu bewerten. Das Leistungsschätzmodul kann als Eingaben Materialeigenschaften empfangen, die an BOL der BZ und der Betriebsbedingungen des BZ während eines Antriebszyklus definiert sind. Eingaben, die mit einem Katalysator in Verbindung stehen, können ECO und SA beinhalten, die während des Betriebs abfallen können. In bestimmten Ausführungsformen kann die geschätzte Ausgabespannung bei relativ niedrigen Stromdichten bestimmt werden. So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen die geschätzte Ausgabespannung mit einer Stromdichte weniger als 0,4 A.cm–2 bestimmt werden.
  • Bei 310 kein eine Spannungsmessung im stationären Zustand durchgeführt werden, um eine tatsächliche Ausgabespannung, Vtatsächlich, des BZ-Systems zu erhalten. In einigen Ausführungsformen kann die tatsächliche Ausgabespannung bei relativ geringerer Leistung erhalten werden (d. h. bei relativ geringen Stromdichten). Bei 312 kann eine Differenz zwischen der geschätzten Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung mit einem Schwellenwert einer Spannungsdifferenz verglichen werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die Differenz zwischen der geschätzten Ausgabespannung, berechnet basierend auf den bei 304 und 306 geschätzten Informationen, und der tatsächlichen Ausgabespannung eine Verlustspannung umfassen, die über einen Spannungswiederherstellungsvorgang wiederherstellbar sein kann.
  • Wenn der wiederherstellbare Spannungsverlust den Schwellwert nicht überschreitet, kann das Verfahren 300 zu 318 fortschreiten, wo bestimmt werden kann, ob ein dem Verfahren 300 zugeordneter Zähler eine bestimmte Zeitspanne (z. B. eine bestimmte Anzahl an Std.) überschritten hat. Wenn ja, kann das Verfahren 300 zu 310 zurückkehren. Andernfalls kann das Verfahren 300 bei 320 enden. In einigen Ausführungsformen kann der Zähler ein Signal umfassen, das bei Empfang und/oder anderweitiger Aufforderung eine Wiederherstellungsstrategie initiieren kann.
  • Wenn der wiederherstellbare Spannungsverlust die Schwellenspannung übersteigt, kann das Verfahren 300 zu 314 fortschreiten, wo Spannungswiederherstellungsvorgänge im BZ-System eingeleitet werden. Eine Vielzahl von Spannungswiederherstellungsvorgängen kann, in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen, eingeleitet werden. So kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen ein Spannungswiederherstellungsvorgang den Betrieb des BZ-Systems bei einer relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeit und einer relativ niedrigen Spannung (z. B. 0,3 V oder dergleichen) und eine verstärkte Kühlung des BZ-Stapels und stärkere Befeuchtung des Stapels umfassen. Ein solch nasser und kalter BZ-Systembetrieb bei relativ niedriger Spannung kann betrieben werden, um den am BZ-System erfahrenen, wiederherstellbaren Spannungsverlust wieder herzustellen.
  • In einigen Ausführungsformen, kann der Spannungswiederherstellungsvorgang unmittelbar eingeleitet werden, wenn ermittelt wird, dass der wiederherstellbare Spannungsverlust den Spannungsschwellwert bei 314 überschreitet. In anderen Ausführungsformen, kann der Spannungswiederherstellungsvorgang nach dem Ermitteln bei 314 markiert werden, zur Einleitung an einem Zeitpunkt, an dem der Spannungswiederherstellungsvorgang das Fahrverhalten nicht nachteilig beeinträchtigen wird (z. B., basierend auf Nutzung des Fahrzeugs und/oder dergleichen). In bestimmten Ausführungsformen, kann der Spannungswiederherstellungsvorgang in einem einzelnen Zeitfenster ausgeführt werden. In weiteren Ausführungsformen, kann der Spannungswiederherstellungsvorgang opportunistisch durchgeführt werden, (z. B., basierend auf dem Fahrzeugbetrieb) über eine Vielzahl von Zeitfenstern, die auf den kumulativen Auswirkungen solcher Vorgänge beruhen, um eine Spannungswiederherstellung zu erzielen.
  • Bei 318 kann der in Verbindung mit dem Verfahren 300 verwendete Zähler zurückgesetzt werden. Das Verfahren 300 kann fortfahren, um bei 320 zu beenden.
  • stellt ein exemplarisches System für die Implementierung bestimmter Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren dar. In bestimmten Ausführungsformen kann das Computersystem 400 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 400 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 400 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 402, einen Direktzugriffsspeicher („RAM“) 404, eine Kommunikationsschnittstelle 406, eine Benutzeroberfläche 408 und ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium 410 beinhalten. Der Prozessor 402, der RAM-Speicher 404, die Kommunikationsschnittstelle 406, die Benutzeroberfläche 408, und das computerlesbare Speichermedium 410 können kommunikativ miteinander über einen gemeinsamen Datenbus 412 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computersystems 400 unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und/oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden.
  • Die Benutzerschnittstelle 408 kann eine beliebige Anzahl an Vorrichtungen umfassen, die es einem Benutzer erlauben mit dem Computersystem 400 zu interagieren. Zum Beispiel kann die Benutzerschnittstelle 408 verwendet werden, um einem Benutzer eine interaktive Schnittstelle anzuzeigen. Die Benutzeroberfläche 408 kann ein separates kommunikativ mit dem Computersystem 400 gekoppeltes Schnittstellensystem sein, oder alternativ kann sie ein integriertes System, wie beispielsweise eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung, sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Benutzeroberfläche 408 auf einem Touchscreen-Display erzeugt werden. Das Touchscreen-Display 408 kann auch eine beliebige Anzahl an anderen Eingabevorrichtungen, einschließlich beispielsweise einer Tastatur, einen Trackball und/oder Zeigegeräte, beinhalten.
  • Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die mit anderen Computersystemen, Peripheriegeräten in Verbindung steht, und/oder ein anderes kommunikativ mit dem Computersystem 400 gekoppeltes Gerät. Zum Beispiel kann die Kommunikationsschnittstelle 406 es dem Computersystem 400 ermöglichen, mit anderen Computersystemen zu kommunizieren (z. B. mit Computersystemen, 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 406 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und/oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung beinhalten, die es dem Computersystem 400 ermöglicht mit Datenbanken und Netzwerken verbinden zu können, wie beispielsweise LANs, MANs, WANs und das Internet. In weiteren Ausführungsformen kann die Kommunikationsschnittstelle 406 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 402 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 402 kann konfiguriert sein, computerlesbare auf dem nicht-transitorischen computerlesbaren Speichermedium 410 gespeicherte Anweisungen auszuführen. Das computerlesbare Speichermedium 410 kann andere Daten oder Informationen speichern, wie gewünscht. In einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare Funktionsmodule 414 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 funktionelle Modelle, die auf dem computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert werden können, können ein Modul beinhalten, konfiguriert, um ECO und SA zu schätzen, ein Modul, konfiguriert um eine Ausgabespannung eines BZ-Systems zu schätzen, ein Modul, konfiguriert um eine tatsächliche Ausgabespannung eines BZ-Systems zu ermitteln, ein Modul, konfiguriert um einen wiederherstellbaren Spannungsverlust zu ermitteln, ein Modul konfiguriert, um Spannungswiederherstellungsvorgänge einzuleiten und/oder auf andere Weise zu steuern, und/oder jedes andere Modul oder Module, konfiguriert zur Implementierung der hierin offenbarten Systeme und Verfahren.
  • 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. So können beispielsweise in bestimmten Ausführungen die hier offenbarten Systeme und/oder Verfahren in nicht in einem Fahrzeug enthaltenen BZ-Systemen verwendet werden (z. B. in Notstromversorgungseinrichtungen oder dergleichen). Es wird darauf hingewiesen, dass es viele alternative Wege zur Implementierung der hierin beschriebenen Prozesse und Verfahren gibt. 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. So können beispielsweise verschiedene Arbeitsschritte und Komponenten für die Ausführung der Arbeitsschritte auf anderweitig angewendet werden, abhängig von der jeweiligen Anwendung oder unter Berücksichtigung einer bestimmten Anzahl an 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. Darüber hinaus sollten, wie hierin verwendet, die Begriffe „in Kommunikation“, „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 umfassen.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 8450020 [0034]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Ermitteln eines wiederherstellbaren Spannungsverlustes 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: Schätzen des Verlustes der spezifischen Aktivität eines Katalysators eines Brennstoffzellensystems; Schätzen des Verlustes der elektrochemischen Oberfläche des Brennstoffzellensystems; Schätzen einer Ausgabespannung des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage des geschätzten Verlustes der spezifischen Aktivität und des Verlustes der elektrochemischen Oberfläche; Messen einer tatsächlichen Ausgabespannung des Brennstoffzellensystems; Bestimmen einer Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust, basierend auf einem Vergleich zwischen der geschätzten Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung; und Implementieren von mindestens einem Steuervorgang eines Brennstoffzellensystems, basierend auf dem ermittelten Betrag des wiederherstellbaren Spannungsverlusts.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Bestimmung der Menge von wiederherstellbarem Spannungsverlust das Bestimmen beinhaltet, dass eine Differenz zwischen der geschätzten Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung einen Schwellwert überschreitet, und worin die Steuermaßnahme das Einleiten eines Spannungswiederherstellungsvorgangs im Brennstoffzellensystem umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Einleiten des Spannungswiederherstellungsvorgangs die Einleitung des Spannungswiederherstellungsvorgangs beim Ermitteln, dass die Differenz zwischen der geschätzten Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung den Schwellwert überschreitet, umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Einleiten des Spannungswiederherstellungsvorgangs die Einleitung des Spannungswiederherstellungsvorgangs zu einem späteren Zeitpunkt, nach dem Ermitteln, dass die Differenz zwischen der geschätzten Ausgabespannung und der tatsächlichen Ausgabespannung den Schwellwert überschreitet, umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, worin der Spannungswiederherstellungsvorgang den Betrieb des Brennstoffzellensystems bei einer geringeren als der standardmäßigen Arbeitsströmungsrate und standardmäßigen Arbeitsspannung, Erhöhen der Befeuchtung des Brennstoffzellensystems, und Erhöhen der Kühlung des Brennstoffzellensystems durch eine zugeordnete Kühlung für einen Zeitraum, umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, Schätzen der Ausgabespannung des Brennstoffzellensystems, ferner basierend auf einem Leistungsmodell des Brennstoffzellensystems.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, worin Schätzen der Ausgabespannung des Brennstoffzellensystems das Schätzen der Ausgabespannung der Brennstoffzelle bei einer eingestellten Stromdichte umfasst.
  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. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schätzen des Verlustes der spezifischen Aktivität des Katalysators des Brennstoffzellen-Systems, mindestens teilweise, auf einer Menge an Oxidwachstum und einer Oxidwachstumsrate im Brennstoffzellensystem basiert.
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