DE102018109743A1

DE102018109743A1 - Brennstoffzellenarchitekturen, Überwachungs-Systeme und Steuerlogik zur Charakterisierung des Fluidstroms in Brennstoffzellenstapeln

Info

Publication number: DE102018109743A1
Application number: DE102018109743.3A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey J. Gagliardo; Chad Dubois; Xiaofeng Wang; Manish Sinha
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2018-10-31
Also published as: US20180316029A1; CN108808044B; CN108808044A; US10249893B2

Abstract

Es werden Brennstoffzellenarchitekturen, Überwachungssysteme für Brennstoffzellenstapel und eine Steuerlogik zum Erfassen von Änderungen der Strömungseigenschaften in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Es wird ein Verfahren zum Erfassen einer Änderung der Strömungseigenschaften eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Dieses Verfahren beinhaltet das Ermitteln, z. B. durch eine Systemanalyse oder den Zugriff auf eine Nachschlagetabelle, einer Korrelation zwischen der Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und der Strömungseigenschaft des Fluids und das Ermitteln, aus der Spannungs-Eigenschaften-Korrelation, einen kalibrierten Spannungsabfall gemäß der Eigenschaftsänderung des Fluids. Das Verfahren überwacht die Systemspannung (z. B. gleitende Durchschnittsspannung des Brennstoffzellenstapels im stationären Betrieb) und erkennt eine Spannungsgrößenänderung in der Systemspannung, z. B. wenn das Anodenventil geöffnet ist. In Reaktion auf die Änderung der Spannungsgröße, die größer als der kalibrierte Spannungsabfall ist, wird ein Signal erzeugt, das die Erfassen der Änderung der Strömungseigenschaften anzeigt.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Brennstoffzellensysteme zum Umwandeln von gasförmigen wasserstoffbasierten Kraftstoffen in Energie. Insbesondere beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf Überwachungssysteme und zugehörige Regelalgorithmen zur Charakterisierung des Fluidstroms vom Anodenvolumen zum Kathodenvolumen eines Brennstoffzellenstapels.
Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik versorgt. Der Antriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als solcher bezeichnet wird, umfasst im Allgemeinen eine Antriebsmaschine, die durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. Differential, Achsen und Straßenräder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor (ICE - Internal Combustion Engine) nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Solche Motoren beinhalten als nicht einschränkende Beispiele Zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete Dieselmotoren, Viertakt-Ottobenzinmotoren, Sechstakt-Motoren und Drehkolbenmotoren. Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen andererseits alternative Energiequellen, wie batteriebetriebene Elektromotorgeneratoren, um das Fahrzeug anzutreiben und mindern die Abhängigkeit des Motors von der Energie und erhöhen somit die gesamten Kraftstoffeinsparungen.
Hybridelektrik- und Vollelektrofahrzeug-Antriebsstränge wenden verschiedene Architekturen an, von denen einige einen Brennstoffzellenstapel verwenden, um Energie für einen oder mehrere elektrische Traktionsmotoren zu liefern. Ein Brennstoffzellenstapel ist eine elektrochemische Vorrichtung, die im Allgemeinen aus einer Anode, die Wasserstoff (H₂) aufnimmt, einer Kathode, die Sauerstoff (0₂) aufnimmt, und einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten besteht. Eine elektrochemische Reaktion wird hervorgerufen, um Wasserstoffmoleküle an der Anode zu oxidieren, um freie Protonen (H+) zu erzeugen, die dann durch den Elektrolyten, zur Reduktion mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff, durch die Kathode fließen. Insbesondere wird Wasserstoffgas in einer Oxidationsreaktion in einer Halbzelle in der Anodenkatalysatorschicht katalytisch aufgespalten, um Protonen und Elektronen zu erzeugen. Diese Wasserstoffprotonen fließen durch den Elektrolyten zur Kathode, wobei die Wasserstoffprotonen mit Sauerstoff und Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Elektronen von der Anode können jedoch nicht durch den Elektrolyten fließen und werden somit durch einen Verbraucher geleitet, wie einen Motor oder eine Batterie, bevor die Elektronen zur Kathode geleitet werden.
In Automobilanwendungen häufig verwendete Brennstoffzellenkonstruktionen nutzen eine Feststoff-Polymerelektrolyt (PEM)-Membran - Protonenaustauschmembran (PEM) genannt - um den Ionentransport zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten. Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (PEMFC) verwenden im Allgemeinen eine Protonen leitende Feststoff-Polymerelektrolytmembran (SPE), wie beispielsweise eine perfluorsulfatische Säure-Membran, um Produktgase abzutrennen und die Elektroden zusätzlich zur Protonenleitung elektrisch zu isolieren. Anode und Kathode beinhalten normalerweise fein verteilte katalytische Teilchen, wie Platin (Pt), die an Kohlenstoffpartikel gekoppelt und mit einem Ionomer vermischt sind. Die katalytische Mischung wird auf den Seiten der Membran abgeschieden, um die katalytischen Anoden- und Kathodenschichten zu bilden. Die Kombination der katalytischen Anodenschicht, der katalytischen Kathodenschicht und der Elektrolytmembran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA), in der der Anodenkatalysator und der Kathodenkatalysator auf gegenüberliegenden Seiten der ionenleitfähigen festen Polymermembran unterstützt werden.
Um die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs erforderliche Elektrizität zu erzeugen, werden typischerweise zahlreiche Brennstoffzellen in Reihe oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine höhere Ausgangsspannung zu erreichen und eine höhere Stromaufnahme zu ermöglichen. So kann beispielsweise ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Automobil zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Diese Brennstoffzellenstapel werden mit Reaktionsgas als Kathodeneingang versorgt, typischerweise als Umgebungsluftstrom oder konzentrierter gasförmiger Sauerstoff, der von einem Kompressor durch den Stapel gepresst wird. Im normalen Betrieb wird eine quantifizierbare Masse des Sauerstoffs nicht vom Stapel verbraucht; ein Teil des Restsauerstoffs wird als Kathodenabgas abgegeben, das Wasser als Nebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch Wasserstoff oder wasserstoffreiches Reaktionsgas als Anodeneingang auf, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen wird für den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellenstapel typischerweise weitgehend konstant gehalten. In einigen Betriebsarten wird zusätzlicher Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel eingespeist, sodass das Anodengas gleichmäßig auf eine Stapelausgangslast verteilt wird. Mit diesem zusätzlichen Wasserstoffeingang steigt jedoch die Menge an Wasserstoff im Abgas der Anode, was wiederum zu einem verminderten Wirkungsgrad des Systems führen kann.
Die Stapelspannung ist aufgrund der sehr schnellen Wasserstoff-Oxidationsreaktionskinetik und des geringen Wasserstoff-Massentransfers typischerweise unempfindlich gegenüber der Wasserstoffkonzentration. Folglich zeigt die Stapelspannung, abgesehen von einem Mangel an Wasserstoff, typischerweise keine signifikanten Schwankungen aufgrund von Änderungen der Wasserstoffkonzentration. In der gleichen Weise zeigt die AC-Impedanzreaktion typischerweise eine geringe oder keine Empfindlichkeit gegenüber der Wasserstoffkonzentration in der Anode. Aufgrund dieser wahrgenommenen Unempfindlichkeit wird die Stapelspannung historisch nicht dazu verwendet, die Wasserstoff- oder Sauerstoffkonzentration im Anoden- und Kathodenraum einer Brennstoffzelle abzuleiten. Vielmehr vergleichen bekannte Verfahren tatsächliche Gasdurchsätze mit modellierten Ventildurchsätzen, um die Gaskonzentrationen abzuleiten, oder verwenden spezielle elektronische Sensoren, um diese Konzentrationen zu erfassen. Vergleiche von Durchflussmengen sind jedoch aufgrund von Systemleckagen und Schwankungen der Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur, Stromdichte, relative Luftfeuchtigkeit, Druck usw.) nur bedingt genau. Entsprechend der speziellen Sensorelektronik sind Stickstoff- und Wasserstoffsensoren sehr kostenintensive Komponenten und relativ unzuverlässige Vorrichtungen zum Schätzen von Zuständen der Brennstoffzelle, wie beispielsweise das Ermitteln der Konzentration von Wasserstoff oder Sauerstoff in Abschnitten eines Brennstoffzellensystems über die Lebensdauer des Systems.
KURZDARSTELLUNG
Hierin werden die Fahrzeug-Brennstoffzellenarchitekturen, Brennstoffzellen-Stapelüberwachungssysteme und zugehörige Steuerlogik zum Schätzen des Zustands der Brennstoffzelle offenbart, wie beispielsweise das Erfassen von Massenflüssigkeit, die von der Anode an die Kathode abgegeben wird, die von Flüssigkeit zu Gas und von Feststoff zu Gas in einem Brennstoffzellenstapel wechselt. Als Beispiel wird ein neuartiges Verfahren zur Charakterisierung des Fluidstroms vom Anodenvolumen zum Kathodenvolumen vorgestellt, das eine verbesserte Charakterisierung des Anodenventilstroms ermöglicht, um den Wirkungsgrad des Stapels zu optimieren und unerwünschte Emissionen zu reduzieren. In diesem Beispiel kann beim Öffnen eines Anodenventils zunächst flüssiges Wasser durch die Ventilöffnung fließen, gefolgt von einem Gasstrom durch die Blende. Änderungen der Eigenschaften von Massenflüssigkeiten an der Blende, wie beispielsweise Flüssigkeit zu Gas, können durch das Überwachen der Stapelspannung und das Erkennen eines Spannungseinbruchs von kalibrierter Größe erkannt werden. Ein derartiges Ereignis tritt ein, wenn zusätzlicher Wasserstoff an die Kathodenseite des Stapels abgegeben wird, der die Sauerstoffkonzentration in der Elektrode durch Verdünnen von O2 und Verbrauch von O2 an der Katalysatoroberfläche durch Verbrennung entsprechend reduziert. Diese Reduktion der O2-Konzentration an der Kathodenelektrode reduziert die Spannung des Brennstoffzellenstapels. Eine kalibrierte oder modellierte Größe des Spannungsabfalls bezieht sich auf den Durchfluss des Anodenventils, um die Änderung des Fluidzustands (Flüssigkeit/Gas, Gas/Flüssigkeit, Gas/Feststoff, Feststoff/Gas) am Ventil zu charakterisieren.
Begleitende Vorteile für zumindest einige der vorgestellten Konzepte sind eine verbesserte Systemzuverlässigkeit, erhöhte Stapeleffizienz, geringere Stapelemissionen und reduzierte Systemkosten. Anstelle eines dedizierten Messgeräts oder der Verwendung von geschätzten Durchflussraten als Grundlage für die Phasendetektion, überwachen offenbarte Erfassungsverfahren Spannungsänderungen des Systems, um Flüssiggas- oder Festgasübergänge zu erkennen und so die Zuverlässigkeit und Effizienz zu verbessern. Dieser Ansatz erhöht die Systemzuverlässigkeit durch Minimierung der mit Durchflussvergleichen einhergehenden mangelnden Präzision und reduziert die Systemkosten durch den Verzicht auf dedizierte Messgeräte. Eine verbesserte Zuverlässigkeit wird durch die Rückmeldung der Fluidcharakterisierung an das System erreicht, selbst bei einem Ausfall eines Systemdrucksensors. Während der Betriebsbedingungen, wenn das Fahrzeug über unwegsames Gelände fährt, kann ein „lärmintensives“ Ventilströmungssignal durch Spritzwasser erzeugt werden; die offenbarten Verfahren eliminieren dieses Signalgeräusch und liefern so ein deutlicheres Signal. Weitere begleitende Vorteile sind die Minimierung der Auswirkungen von Umweltveränderungen und der Ausfall von austauschbaren Komponenten durch den Wegfall von physikalischen Sensoren.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung befassen sich mit Regelungsalgorithmen zur Charakterisierung des Fluidstroms in einem Brennstoffzellenstapel und zur Regulierung des Systembetriebs, beispielsweise in Reaktion auf ein durch ein gasförmiges Fluid ersetztes flüssiges Fluid. Es wird beispielsweise ein Verfahren zur Charakterisierung des Fluidstroms vom Anodenvolumen zum Kathodenvolumen offenbart, um den Übergang von einem Fluidzustand zum anderen zu ermitteln (z. B. Flüssigkeit zu Gas und Gas zu Flüssigkeit). Ein Verfahren zum Erfassen einer Änderung der Strömungseigenschaften eines Massenfluids in einem Brennstoffzellensystem beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einem der offenbarten Merkmale: Ermitteln, z. B. durch Systemanalyse, Systemmodellierung und/oder Zugriff auf eine Nachschlagetabelle, einer Korrelation zwischen der Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und der Änderung der Strömungseigenschaften des Fluids; Ermitteln, aus dieser Korrelation von Spannung und Eigenschaften, eines kalibrierten Spannungsabfalls, der dem Übergang der Fluideigenschaften in der Masse entspricht; Überwachen einer Systemspannung des Brennstoffzellensystems (z. B. das Berechnen einer gleitenden Durchschnittsspannung des Brennstoffzellenstapels im stationären Betrieb); Erfassen einer Änderung der Spannungsgröße in der das Systemspannung, z. B. bei einem geöffneten Anodenauslassventil; und in Reaktion auf ein Ermitteln, dass das Ändern der Spannungsgröße größer ist als der modellierte oder kalibrierte Spannungsabfall, das Ausgeben eines Signals, welches das Erfassen der Änderung der Strömungseigenschaften des Fluids anzeigt. Dieses Signal kann ein Steuersignal zum Schließen des Anodenauslassventils und/oder ein Signal mit einer Anzeige, dass ein Flüssigwasserabscheider des Brennstoffzellensystems leer oder nahezu leer ist, beinhalten.
Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf Kraftfahrzeuge mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ausgerichtet, die gemäß irgendeinem der offenbarten Verfahren zum Erkennen von Eigenschaften konditioniert sind. Ein „Kraftfahrzeug“, wie hierin verwendet, kann sich auf jede relevante Fahrzeugplattform, wie z. B. Personenkraftwagen (Brennstoffzellen-Hybrid, elektrische Brennstoffzelle, vollständig oder teilweise autonom usw.), Transportfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Geländefahrzeuge (ATV), landwirtschaftliche Geräte, Boote, Flugzeuge, Züge usw. Brennstoffzellen-Baugruppen, die gemäß den offenbarten Verfahren zur Erkennung von Eigenschaftsänderungen reguliert werden, können in anderen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel tragbare Brennstoffzellenvorrichtungen, z. B. für den Betrieb von Haushalts- und Gewerbegeräten, und stationäre Brennstoffzellenkraftwerke, die eine saubere und zuverlässige Stromversorgung für Flughäfen, Krankenhäuser, Schulen, Banken und Haushalte bieten. Ein mit Brennstoffzellen betriebenes Kraftfahrzeug wird offenbart, das eine Fahrzeugkarosserie, mehrere Straßenräder und einen an der Fahrzeugkarosserie angebrachten Traktionsmotor zum Antreiben eines oder mehrerer Straßenräder beinhaltet. Ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug, das den Traktionsmotor betreibt, beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel mit einer Protonenaustauschmembran, die zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist, und ein Anodenauslassventil, das die Übertragung von Abgas von der Anode zu einem Flüssigwasserabscheider reguliert.
Das mit Brennstoffzellen betriebene Kraftfahrzeug beinhaltet auch eine Fahrzeugsteuerung, wie beispielsweise eine programmierbare elektronische Antriebsstrang-Steuereinheit (ECU), zum Überwachen und Steuern des Brennstoffzellensystems. Die Fahrzeugsteuerung ist programmiert, um eine Spannungs-Eigenschaften-Korrelation zwischen der Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und der Fließeigenschaft einer Flüssigkeit auf Wasserstoffbasis im Brennstoffzellensystem zu identifizieren und aus dieser Korrelation einen kalibrierten oder Schwellenspannungsabfall zu ermitteln, der einer Änderung der Eigenschaften der Flüssigkeit auf Wasserstoffbasis entspricht. Die Fahrzeugsteuerung überwacht die Spannung des Brennstoffzellensystems, z. B. während sich das Anodenauslassventil sowohl im geschlossenen als auch im geöffneten Zustand befindet, um eine Spannungsgrößenänderung in der Systemspannung zu erkennen, wenn das Anodenauslassventil vom geschlossenen in den geöffneten Zustand übergeht. In Reaktion auf die Spannungsänderung, die größer ist als der kalibrierte (z. B. modellierte) Spannungsabfall, gibt die Steuerung ein Signal zum Erfassen der Strömungsphasenänderung und ein Steuersignal zum Schließen des Anodenauslassventils aus. Optional kann dieses Steuersignal auch einen Befehl zum vorübergehenden Abschalten des Brennstoffzellensystems beinhalten.
Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf nicht-flüchtige, computerlesbare Medien, in denen Anweisungen zur Ausführung durch mindestens einen oder mehrere Prozessoren von mindestens einem oder mehreren elektronischen Steuereinheiten im Fahrzeug. Diese Anweisungen veranlassen die ECU(s), bei der Ausführung verschiedene Operationen durchzuführen, die in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit allen in dieser Offenbarung aufgeführten Merkmalen erfolgen können: Ermitteln einer Korrelation zwischen der Spannungsänderung eines Brennstoffzellensystems und den Eigenschaften eines Fluids im Brennstoffzellenstapel; Ermitteln eines modellierten oder kalibrierten Spannungsabfalls, der einer Änderung des Fluids entspricht, aus dieser Spannungs-Eigenschaften-Korrelation; Überwachen der Systemspannung des Brennstoffzellensystems; Erfassen einer Spannungsgrößenänderung in der Stapelspannung; und in Reaktion auf ein Ermitteln, dass die Spannungsgrößenänderung größer als der kalibrierte Spannungsabfall ist, Ausgabe eines Signals, das die Erfassung der Änderung der Fließeigenschaft anzeigt.
Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr stellt die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Konzepte und Merkmale, wie hierin dargelegt, als Beispiel dar. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit einer eingeschobenen schematischen Darstellung eines repräsentativen Brennstoffzellensystems mit Strömungsphasenerkennung gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Flussdiagramm für ein Brennstoffzellen-Phasenerkennungsalgorithmus, der den im Speicher gespeicherten Anweisungen entsprechen kann, die von einer integrierten Steuerlogikschaltung, einer oder mehreren programmierbaren elektronischen Steuerungseinheiten oder einer anderen computergestützten Vorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß den Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden.
3 ist eine grafische Darstellung eines repräsentativen Brennstoffzellenverfahrens zur Charakterisierung des Fluidstroms vom Anodenvolumen zum Kathodenvolumen unter Verwendung der durchschnittlichen Brennstoffzellenstapelspannung gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten exemplarischen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ und „mit“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3-5 In Bezug von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden.
In Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, wird in 1 eine Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung als eine Vier-Personen-Limousine dargestellt. In der Fahrzeugkarosserie 12 des Fahrzeugs 10 ist ein repräsentatives Brennstoffzellensystem verbaut, das im Allgemeinen mit 14 bezeichnet wird, um einen oder mehrere Traktionsmotoren 16 anzutreiben, die zum Antreiben der Straßenräder 18 des Fahrzeugs dienen. Das dargestellte Automobil 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in ein PEMFC-Brennstoffzellensystem 14 auch als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte angesehen werden. Demgemäß versteht es sich, dass viele Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Brennstoffzellensystem-Architekturen angewendet werden können, die für andere Automobilanwendungen und nicht Automobilanwendungen implementiert sind und für jeden logisch relevanten Typ eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
Das Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem 14 von 1 ist mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 20 ausgestattet, die jeweils aus mehreren Brennstoffzellen 22 vom Typ PEM zusammengesetzt sind, die z. B. in Reihe aneinander montiert sind. In der veranschaulichten Architektur ist jede Brennstoffzelle 22 beispielsweise eine mehrschichtige Konstruktion mit einer Anodenseite 24 und einer Kathodenseite 26, die durch eine Protonen leitende Perfluorsulfonsäuremembran 28 getrennt sind. Eine Anodendiffusionsmediumschicht 30 ist auf der Anodenseite 24 von PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Anodenkatalysatorschicht 32 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmediumschicht 30 angeordnet ist und diese wirksam verbindet. Gleichermaßen ist eine Kathodendiffusionsmediumschicht 34 auf der Kathodenseite 26 von PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Kathodenkatalysatorschicht 36 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmediumschicht 34 angeordnet ist und diese wirksam verbindet. Diese beiden Katalysatorschichten 32 und 36 wirken mit der Membran 28 zusammen, um ganz oder teilweise eine MEA 38 zu definieren. Die Diffusionsmediumschichten 30 und 34 sind poröse Konstruktionen, die einen Fluideinlasstransport zu und einen Fluidabgastransport von der MEA 38 bereitstellen. Eine Anodenströmungsfeldplatte (oder „Bipolarplatte“) 40 ist an der Anodenseite 24 angrenzend an die Anodendiffusionsmediumschicht 30 vorgesehen. In gleicher Weise ist eine Kathodenströmungsfeldplatte (oder „Bipolarplatte“) 42 auf der Kathodenseite 26 angrenzend an die Kathodendiffusionsmediumschicht 34 vorgesehen. Kühlmittelströmungskanäle 44 durchziehen jede der Bipolarplatten 40 und 42, um den Fluss von Kühlfluid durch die Brennstoffzelle 22 zu ermöglichen. Entsprechende Fluideinlassöffnungen und -verteiler leiten den Wasserstoffbrennstoff und das Oxidationsmittel zu Durchgängen in den Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten.
1 präsentiert auch ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Brennstoffzellensystemarchitektur, welches das Schätzen des Brennstoffzellenzustands ermöglicht, wie beispielsweise das Erfassen von Flüssigkeit-zu-Gas, Gas-zu-Flüssigkeit, Feststoff-zu-Gas und Gas-zu-Festphasenänderungen eines Fluidstroms an diskreten Stellen im Brennstoffzellenstapel. Es werden lediglich ausgewählte Komponenten des Brennstoffzellensystems in den Zeichnungen exemplarisch dargestellt und hierin im Detail beschrieben. Dennoch kann das Brennstoffzellensystem zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere gut bekannte periphere Komponenten beinhalten, ohne von dem beabsichtigten Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Als Beispiel und nicht als Einschränkung wird der Einlassstrom von Wasserstoff (H₂) - seien diese gasförmig, konzentriert, mitgerissen oder anderweitig - von einer Wasserstoff-/Stickstoffquelle 46 zu der Anodenseite 24 des Brennstoffzellenstapels 20 über eine (erste) Fluideinlassleitung oder einen -schlauch 48 geleitet. Anodenabgas verlässt den Stapel 20 über eine (erste) Fluidauslassleitung oder Krümmer 50. Ein Kompressor oder eine Pumpe 52 stellt einen Kathodeneinlassstrom, z. B. Umgebungsluft und/oder konzentriertem gasförmigem Sauerstoff (O₂), über eine (zweite) Fluideinlassleitung oder -schlauch 54 für die Kathodenseite 26 des Stapels 20 bereit. Kathodenabgas wird von dem Stapel 20 über eine (zweite) Fluidauslassleitung oder einen (zweiten) Verteiler 56 abgegeben. Das Brennstoffzellensystem 14 nutzt auch die Anodenrückführung, wobei ein Anodenrückführungsgas aus dem Anodenabgaskrümmer 50 über eine Anodenrückführungsleitung 58 und eine Fluideinlassleitung 48 zur Rückführung auf die Anodenseite 24 zugeführt wird, um Wasserstoffgas im Stapel 20 zu konservieren. Strömungssteuerventile, Durchflussbegrenzungen, Filter und andere bekannte Vorrichtungen zum Regeln des Fluidstroms können durch das System 14 von 1 implementiert werden.
Wasser ist ein Nebenprodukt beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 14; um flüssiges Wasser aus dem Anodenabgasstrom im Abgaskrümmer 50 zu entfernen, sodass es nicht zur Anode im rückgeführten Anodengas zurückgeführt wird, ist zwischen dem Abgaskrümmer 50 und der Anodenrückführungsleitung 58 eine Wasserabscheidevorrichtung (oder „Abscheider“) 60 angeordnet. Die Wasserabscheidevorrichtung 60, die aktiv oder passiv, zentrifugal oder Venturi, Sieb oder Gitter usw. sein kann, beinhaltet einen Behälter oder einen Tank, der das vom Abscheider 60 gesammelte Wasser aufnimmt. Ein Entlüftungs-/Entleerungsventil 64, das mit einem unteren Abschnitt des Behälters strömungstechnisch gekoppelt ist, entleert den Behälter und entlüftet optional den Stickstoff aus dem rezirkulierten Anodengas. In dieser Ausführungsform wird das entlüftete Gas und Wasser über die Ablaufleitung 66 zu einer zweiten Wasserabscheidevorrichtung (oder „Abscheider“) 68 geleitet, die Wasser aus dem Kathodeneinlassstrom und dem Ablaufstrom entfernt, bevor es durch die Fluideinlassleitung 54 zur Kathodenseite 26 des Stapels 20 geleitet wird. Ein Strömungssteuerventil oder eine Blende 71 regelt den Durchfluss und/oder den Druck des aus dem zweiten Abscheider 68 austretenden Fluids. Das aus diesem Abscheider 68 abgezogene Wasser wird an die Leitung 72 zum Mischen mit dem Kathodenabgas im Abgaskrümmer 56 geleitet, z. B. um sicherzustellen, dass der Wasserstoff innerhalb des abgeleiteten Abgases deutlich unter dem brennbaren Niveau verdünnt wird, bevor er durch die Abgase 78 des Brennstoffzellensystems (FCS) austritt.
Das Brennstoffzellensystem 14 ist zudem mit verschiedenen Abtastvorrichtungen ausgestattet, die beim Überwachen des Stapelbetriebs, beim Erfassen von Fluidphasenänderungen und bei der Regulierung von Brennstoffzellenabgasen und - rückführung unterstützend wirken. Einige nicht einschränkende Beispiele beinhalten erste und zweite Wasserstandsanzeiger 62 und 63, die jeweils Sensorsignale erzeugen, die den Wasserstand im Behälter eines jeweiligen Abscheiders 60, 68 anzeigen. Aus diesen Signalen kann das System 14 ermitteln, wann die einzelnen Abscheidebehälter zu entleeren sind. Ein Spannungs-/Stromsensor 70 kann betrieben werden, um die Spannung des Brennstoffzellensystems und/oder den Strom über die Brennstoffzellen 22 im Stapel 20 während des Vorgangs zu messen, zu überwachen oder anderweitig zu erfassen. In dieser Hinsicht verbindet ein elektrischer Steckverbinder oder ein Kabel 74 den Brennstoffzellenstapel 20 mit der Stromversorgung 76 des Fahrzeugs, die dem Charakter eines Traktionsbatteriepacks entsprechen kann. Als ein weiteres Beispiel misst, überwacht oder erfasst auf andere Weise ein Temperatursensor 80 einen Temperaturwert des Brennstoffzellenstapels 20.
Die programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU - Electronic Control Unit) 82 hilft dabei, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 14 zu steuern. Als ein Beispiel empfängt die ECU 82 ein oder mehrere Temperatursignale T1 vom ersten Temperatursensor 80, die die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 anzeigen; die ECU 82 kann programmiert werden, um ein oder mehrere Steuersignale C1 zum Modulieren des Betriebs des Stapels 20 und/oder eines Teilsystems zur Temperatursteuerung des Brennstoffzellenstapels (nicht dargestellt) auszugeben. Die ECU 82 von 1 empfängt auch ein oder mehrere Spannungssignale V1 vom Spannungssensor 70; die ECU 82 kann programmiert werden, um ein oder mehrere Steuersignale C2 zum Modulieren des Betriebs der Wasserstoffquelle 46 und/oder des Kompressors/Pumpe 52 auszugeben, um dadurch die elektrische Leistung des Stapels 20 zu regulieren. Die ECU 82 von 1 wird auch dargestellt, wenn ein oder mehrere Füllstandsignale L1 von den Wasserstandsanzeigern 62, 63 empfangen werden; Die ECU 82 kann programmiert werden, um ein oder mehrere Steuersignale C2 zum Modulieren des Betriebs des Entlüftungs-/Entleerungsventils 64 und/oder des Strömungssteuerventils/der Drossel 71 auszugeben. Zusätzliche Sensorsignale S_N können von der ECU 82 empfangen und zusätzliche Steuerbefehle C_N ausgegeben werden, um z. B. jedes/jede andere hierin veranschaulichte und/oder beschriebene Subsystem oder Komponente zu steuern. Ein exemplarischer Algorithmus, der durch die ECU 82 ausführbar ist, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels zu überwachen, wird im Folgenden näher erläutert. In 1 sind die Pfeile, die von der ECU 82 stammen oder sich bis zu ihr erstrecken, sinnbildlich für elektronische Signale oder andere Kommunikationsaustausche, durch die Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zu einer anderen übertragen werden.
Um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu optimieren und die Wasserstoffgasemissionen zu reduzieren, ist das Brennstoffzellensystem mit verbesserten Stapelüberwachungsfunktionen ausgestattet, die das Spannungsverhalten des Stapels nutzen, um den Fluidstrom vom Anodenvolumen zum Kathodenvolumen zu charakterisieren. Durch die Korrelation des Spannungsabfalls der Brennstoffzelle und der Phasenänderungen des Durchflussmediums aufgrund einer Öffnung des Anodenventils können zum Beispiel Eigenschaftsänderungen des Massenfluids für das Brennstoffzellensystem erfasst werden. Wenn ein Anodenventil öffnet, ist es normal, dass zuerst flüssiges Wasser durch die Ventilöffnung fließt, gefolgt von einem Gasstrom durch die Öffnung. Wenn zusätzlicher Wasserstoff an die Kathode abgegeben wird, wird die Sauerstoffkonzentration in der Elektrode durch Verdünnen von O₂ und Verbrauch von O₂ an der Katalysatoroberfläche durch Verbrennung entsprechend reduziert. Diese Reduktion der Sauerstoffkonzentration an der Kathodenelektrode reduziert die Spannung des Brennstoffzellenstapels. Durch die Zuordnung der Größe dieses Spannungsabfalls zum Anodenventildurchfluss können Phasenänderungen des Fluidstroms - Flüssigkeit-zu-Gas, Gas-zu-Flüssigkeit, Gas-zu-Feststoff, Feststoff-zu-Gas - erfasst werden. Auf diese Weise können die offenbarten Verfahren zur Erkennung von Phasenänderungen die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöhen und die Systemkosten und Garantiefragen reduzieren, während gleichzeitig die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas minimiert wird.
In mindestens einigen der offenbarten Ausführungsformen berechnet die Phasenerkennung basierend auf dem Spannungseinbruch Spannungsunterschiede im Brennstoffzellenstapel, wenn das Anodenventil geöffnet und das Anodenventil geschlossen ist. Durch die Korrelation von Spannungsänderung und Strömungsphasenänderung (z. B. von Flüssigkeit zu Gas) kann die Phasenerkennung ermittelt werden. Ein neuartiger Teil dieser Methodik ist die Verwendung einer funktionierenden Brennstoffzellen-Spannungsänderung anstelle einer Änderung der Strömungsrate, um den Zeitpunkt der Strömungsphasenänderung zu ermitteln. Ein weiterer neuartiger Teil dieser Methodik ist eine verringerte Abhängigkeit von physikalischen Sensoren, wodurch die Auswirkungen von Umweltschwankungen und austauschbaren Komponentenausfällen minimiert werden. Im Gegensatz zu einigen herkömmlichen Ansätzen, wobei drei Sensoren erforderlich sind, um die Phasenschätzung durchzuführen - ein Drucksensor am Anodeneinlass, ein Drucksensor am Kathodeneinlass und ein Temperatursensor am Kühlmitteleinlass - wird ein einzelner Spannungssensor verwendet, um die Phasenschätzung in den offenbarten Verfahren abzuschließen.
In Bezug auf das Flussdiagramm von 2 wird nun ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerstrategie zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wie etwa des Brennstoffzellensystems 14 von 1 zum Charakterisieren der Massenflusseigenschaften von Flüssigkeiten, die zu oder von einer oder mehreren Brennstoffzellen in einem Stapel, wie beispielsweise der Zelle 22 des Stapels 20 in 1, allgemein in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung mit 100 beschrieben. Einige oder alle der in 2 veranschaulichten und hierin beschriebenen Vorgänge können repräsentativ für einen Algorithmus sein, was prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfsspeicher gespeichert werden können und beispielsweise durch eine ECU, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einer im Fahrzeug oder entfernt befindlichen Steuerlogikschaltung oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt werden können, um beliebige oder alle der vorstehend und/oder nachfolgend beschriebenen Funktionen auszuführen, die den offenbarten Konzepten zugeordnet sind.
Das Verfahren 100 von 2 beginnt bei Block 101 mit dem Überwachen eines Brennstoffzellensystemventils, wie beispielsweise eines Anodenentlüftungs-/Entleerungsventils 64 oder eines Strömungssteuerventils/71 von 1, um festzustellen, ob sich das Ventil in einem offenen Zustand (Flüssigkeit oder Gas darf das Ventil passieren) oder in einem geschlossenen Zustand (Flüssigkeit oder Gas darf das Ventil nicht passieren) befindet. Vor, gleichzeitig mit oder nach dem Ermitteln des Betriebszustands des Ventils ermittelt das ECU 82 eine Korrelation zwischen der Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und Änderungen der Fluideigenschaften (z. B. Strömungsphase) eines durch das Ventil strömenden Fluids (hierin auch als „Spannungs-Eigenschaften-Korrelation“ bezeichnet). Um eine näherungsweise Spannungs-Eigenschaften-Korrelation zu ermitteln, kann eine Brennstoffzellensystemanalyse, eine systemkalibrierte Nachschlagetabelle oder andere logisch relevante Mittel verwendet werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine Spannungs-Eigenschaften-Korrelation durch die Korrelation des Stapelspannungsverhaltens des Brennstoffzellensystems und der Strömungsphasenänderung des Fluids im geschlossenen und im geöffneten Zustand des Anodenventils ermittelt werden. In einem noch spezifischeren Beispiel beinhaltet die Spannungs-Eigenschaften-Korrelation die Korrelation der Spannungsänderung und der Strömungsphasenänderung: (1) im stationären Betrieb der Brennstoffzelle, (2) bei geöffnetem Anodenventil und (3) mit Druckvorspannung auf der Anodenseite. Ein Brennstoffzellensystem kann als „stationär“ bezeichnet werden, wenn die Auswirkungen von Transienten nicht mehr signifikant sind (z. B. wenn sich die Stromdichte des Brennstoffzellenstapels nicht dramatisch ändert). So wird beispielsweise während eines Lasttransienten die Leistungsaufnahme des Brennstoffzellenstapels aufgrund von Eingabeaufforderungen eines Benutzers deutlich erhöht oder verringert und die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels und der Last (oder des Stroms) entsprechend verändert. Um das Signalverhalten bei kurzzeitigen Transienten zu reduzieren, kann dem System ein Hystereseblock hinzugefügt werden, um das Spannungssignal zu filtern.
Aus der Spannungs-Eigenschaften-Korrelation kann das System einen kalibrierten oder modellierten „Schwellenwert Spannungsabfall (Vdip) identifizieren, der einer Änderung der Strömungseigenschaften des Fluids entspricht. Für mindestens einige Anwendungen liegt der kalibrierte/modellierte Spannungsabfall zwischen etwa 0,005 und 0,015 Volt (V) bei einer Stromdichte (CD) zwischen etwa 0,1 und 1,0 Ampere pro Quadratzentimeter (A/cm²) und einer Anoden-Kathodendruckvorspannung zwischen etwa 20 und 100 Kilopascal (kPa). Gemäß einem spezifischen Beispiel beträgt der Vdip-Wert etwa 5 Millivolt (mV) bei einer Stromdichte von etwa 1,0 A/cm² und einer Druckvorspannung von etwa 20 kPa auf der Anodenseite. Bei einer Stromdichte von etwa 0,4 A/cm² und einer Druckvorspannung von etwa 40 kPa auf der Anode, liegt der Vdip-Wert etwa 10 mV. Gemäß einem weiteren Beispiel beträgt der Vdip-Wert etwa 15 mV) bei einer Stromdichte von etwa 0,1 A/cm² und einer Druckvorspannung von etwa 40 kPa auf der Anodenseite. Bei 100 kPa kann sich der Vdip-Wert auf etwa 25 mV (trocken) auf 35 mV (nass) mit einer Ventilentlüftung von etwa 2 Sekunden erhöhen. Bei niedrigen Druckdifferenzen zwischen Anode und Kathode kann es zumindest für einige Anwendungen wünschenswert sein, einen Bereich mit einer geringen Stromdichte (<=1,0 A/cm2) zu nutzen; in einem Bereich mit hoher Stromdichte (> 1,0 A/cm2) kann es für zumindest einige Anwendungen wünschenswert sein, die Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode zu erhöhen.
Mit weiterem Bezug auf 2 fährt das Verfahren 100 mit Block 103 fort und überwacht eine Systemspannung des Brennstoffzellensystems. Diese Systemspannung kann eine durchschnittliche Zellenspannung einer ausgewählten Teilmenge von Brennstoffzellen, eine Stichprobe von Brennstoffzellen oder alle Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel beinhalten. In einem spezifischen Beispiel beinhaltet das Überwachen der Systemspannung auch das Berechnen einer gleitenden durchschnittlichen Brennstoffzellenspannung im stationären Betrieb. Dies kann das Berechnen eines ersten Spannungswerts V1 beinhalten, während sich das Anodenventil in einem geschlossenen Zustand befindet. In diesem Zusammenhang ist der Entscheidungsblock 105 eine ausführbare Anweisung für die ECU, um zu erkennen, ob das Anodenventil vom geschlossenen in den geöffneten Zustand übergegangen ist. Wenn das Anodenventil nicht geöffnet ist (Block 105 = NEIN), schleift das Verfahren 100 zu Block 103 zurück und setzt das Überwachen der Systemspannung fort.
In Reaktion auf das Ermitteln, dass das Anodenventil in den geöffneten Zustand übergegangen ist (Block 105 = JA), speichert das Verfahren 100 den ersten Spannungswert V1, wie bei Block 107 angegeben, im Zwischenspeicher (oder „verriegelt“) und ermittelt dann einen zweiten Spannungswert V2, während sich das Anodenventil in einem geöffneten Zustand befindet und erfasst eine Spannungsgrößenänderung ΔV, bei Block 109. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, kann die Spannungsgrößenänderung ΔV durch einen Vergleich der Betriebsspannung V2 des geöffneten Ventils mit der Betriebsspannung V1 des geschlossenen Ventils und durch die Berechnung einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungswert ermittelt werden: ΔV = V1-V2. Beim Entscheidungsblock 111 ermittelt das ECU 82, ob die Spannungsänderung in der Systemspannung größer ist als der kalibrierte/modellierte Spannungsabfall (Vdip)-Wert. Wenn die berechnete Spannungsänderung nicht größer ist als der kalibrierte Spannungsabfall (Block 111 = NEIN) und das Ventil geöffnet bleibt, wird das Verfahren 100 zu Block 109 zurückgeschleift und die Systemspannung weiter überwacht, wobei dann eine neue Betriebsspannung V2 mit geöffnetem Ventil ermittelt wird, um dadurch eine neue Spannungsänderung zu erfassen, und dann zu ermitteln, ob diese neue Spannungsänderung größer ist als der Vdip-Wert, der einer bestimmten Eigenschaftsänderung des Fluids entspricht.
In Reaktion auf das Ermitteln, dass die Spannungsgrößenänderung größer ist als der kalibrierte/modellierte Spannungsabfall (Block 111 = JA), fährt das Verfahren 100 mit Block 113 fort und gibt ein Signal als Hinweis auf eine Strömungsphasenänderung aus. Der Signalausgang kann in Reaktion darauf, dass die Spannungsänderung größer als der kalibrierte/modellierte Spannungsabfall ist, auch einen Hinweis darauf beinhalten, dass der Flüssigwasserabscheider 60 des Brennstoffzellensystems 14 leer oder nahezu leer ist. Bei einigen Systemarchitekturen kann es wünschenswert sein, dass dieses Ausgangssignal auch ein entsprechendes Steuersignal zum Schließen des oder der überwachten Ventile beinhaltet, z. B. bei Block 115. In dem in 2 dargestellten repräsentativen Beispiel kann das Spannungsverhalten des Brennstoffzellensystems auch zur Diagnose einer festsitzenden oder anderweitig fehlerhaften Ventilanordnung verwendet werden. Beim Entscheidungsblock 117 kann das Verfahren 100 ermitteln, ob der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 eingestellt werden soll oder nicht. In Reaktion auf eine positive Bestimmung (Block 117 = JA) kann das ECU 82 ein Steuersignal bei Block 119 ausgeben, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 und/oder einer anderen Komponente des Systems 14 zu deaktivieren oder anderweitig vorübergehend einzustellen. Umgekehrt wird das Verfahren 100 in Reaktion auf die Entschlossenheit, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels nicht einzustellen (Block 117 = NEIN), zu Block 103 zurückgeschleift und die ECU 82 führt eine oder mehrere der in Block 105-119 beschriebenen programmierbaren Anweisungen erneut aus.
Für mindestens einige optionale Konfigurationen kann das Verfahren 100 die zuvor beschriebene, auf dem Betrieb der Brennstoffzelle basierende Phasenänderungserkennung durch eine geschätzte, auf dem Fluidstrom basierende Phasenänderungserkennung ergänzen. Das heißt, die ECU 82 kann weiterhin programmiert werden, um Gasdurchflussmengen bei geschlossenen Betriebsbedingungen des Anodenventils und Gasdurchflussmengen bei offenen Betriebsbedingungen des Anodenventils zu vergleichen. Wenn die Änderung der Gasdurchflussmenge signifikant ist, wird ein Signal zum Erkennen einer Phasenänderung erzeugt. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, kann die ECU 82 weiterhin programmiert werden, um eine Gasdurchflussmenge des Brennstoffzellenfluids während eines geschlossenen Zustands eines Anodenventils und eines offenen Zustands des Anodenventils zu überwachen. Wenn eine Änderung der überwachten Gasdurchflussmenge einen kalibrierten Strömungsänderungswert überschreitet, gibt das System ein Signal aus, welches das Erkennen der Strömungsphasenänderung anzeigt.
3 veranschaulicht grafisch ein repräsentatives Verfahren der Brennstoffzellen-Phasenerkennung unter Verwendung der durchschnittlichen Spannung des Brennstoffzellenstapels („Vdip-basierter Phasenerkennungsschutz“). In diesem Beispiel wird die Vdip-basierte Phasenerkennung mit einer Spannungsgrößenänderung, die in 3 mit 201 bezeichnet wird, aus einer gleitenden durchschnittlichen Brennstoffzellenspannung 209 berechnet und mit einer abgestimmten strömungsbasierten Phasenerkennung verglichen, die in 3 mit einem Strömungssignal 203 dargestellt wird. Die in 3 mit 205 bezeichnete Vdip-Wertgröße wird auf etwa 0,005 V bei einer Stromdichte von etwa 1,0 A/cm² eingestellt. Im Vergleich dazu wird der strömungsabhängige Phasenschwellenwert bei 207 angezeigt. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel erkennt das Vdip-basierte Verfahren Phasenänderungen in Fällen, in denen das strömungsbasierte Verfahren nicht funktioniert, wie bei 211 zwischen 2700 und 2750 Sekunden angegeben. In diesem Fall wird die Entlüftung abgeschlossen und das Ablassventil basierend auf der Vdip-Erkennung geschlossen. Die Druckvorspannung von Anode zu Kathode kann z. B. von einem Standardwert von 20 kPa auf 40 kPa geändert werden, um den erwarteten Vdip-Wert zu erhöhen und damit die Phasenerkennung durch Vdip zu verbessern. Wenn die Phase entweder durch das Vdip-Verfahren oder das strömungsbasierte Verfahren ermittelt wird, kann der Ventildurchfluss bei einer einphasigen Strömung ungleich null sein und die berechnete Wasserstoffkonzentration kann ansteigen; das Ventil kann geschlossen werden, wenn die berechnete Wasserstoffkonzentration einen berechneten Prozentsatz (z. B. 3 %) über den H2-Schwellenwert ansteigt. Wenn eine Phasenänderung entweder durch das Vdip- oder das strömungsabhängige Verfahren erkannt wird, kann die Ablaufwanne als leer angesehen werden; die Entleerung ist abgeschlossen und das Ventil kann geschlossen werden.
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen implementiert werden, wie zum Beispiel Programmmodulen, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einem Onboard-Computer ausgeführt werden. Die Software kann in nicht einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen beinhalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, damit ein Computer entsprechend einer Eingabequelle reagieren kann. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben in Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden. Die Software kann auf einem beliebigen einer Vielzahl von Speichermedien, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM), gespeichert sein.
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen einschließlich Mehrprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Mainframe-Computern und dergleichen durchgeführt werden. Zusätzlich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung ausgeführt werden, bei denen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten angeordnet sein. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung beinhalten durch: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung, und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software oder jedes Verfahren kann in einer Software enthalten sein, die auf einem greifbaren Medium, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder andere Speichervorrichtungen, gespeichert ist, jedoch werden Fachleute leicht erkennen, dass der gesamte Algorithmus und/oder Teile davon alternativ durch eine andere Vorrichtung als eine Steuerung ausgeführt werden können und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer gut bekannten Weise implementiert werden können (z. B. kann er durch einen anwendungsspezifischen integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), eine diskrete Logik usw. implementiert werden). Obwohl spezielle Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, wird der Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass viele andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen alternativ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der beschriebenen Blöcke können geändert, eliminiert oder kombiniert werden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen definiert. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.

Claims

Verfahren zum Erfassen einer Änderung der Strömungseigenschaften eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem, das Verfahren umfassend: das Ermitteln einer Spannungs-Eigenschaften-Korrelation zwischen der Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und der Änderung der Strömungseigenschaften des Fluids; das Ermitteln eines kalibrierten Spannungsabfalls, welcher der Änderung der Strömungseigenschaften des Fluids entspricht, aus der Spannungs-Eigenschaften-Korrelation; das Überwachen einer Systemspannung des Brennstoffzellensystems; das Erfassen einer Spannungsgrößenänderung in der Systemspannung; und in Reaktion auf das Ermitteln, dass die Spannungsgrößenänderung größer ist als der kalibrierte Spannungsabfall eines Signals als Hinweis auf das Erfassen einer Strömungsphasenänderung.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellensystem ein Anodenventil beinhaltet, und worin das Ermitteln der Spannungs-Eigenschaften-Korrelation eine korrelierende Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und die Strömungseigenschaft des Fluids beinhaltet, wenn sich das Anodenventil in einem geschlossenen Zustand befindet und wenn sich das Anodenventil in einem geöffneten Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenseite, einer Anodenseite und einem Anodenventil, und worin das Ermitteln der Spannungs-Eigenschaften-Korrelation eine korrelierende Spannungsänderung des Brennstoffzellensystems und die Strömungseigenschaft des Fluids während des stationären Betriebs des Brennstoffzellenstapels beinhaltet, während das Anodenventil geöffnet ist, sowie eine Druckvorspannung auf der Anodenseite.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Druckvorspannung auf der Anodenseite etwa 20 bis 100 Kilopascal (kPa) höher ist als auf der Kathodenseite.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellensystem ein Anodenventil beinhaltet, und worin das Überwachen der Systemspannung das Ermitteln eines ersten Spannungswerts beinhaltet, während sich das Anodenventil in einem geschlossenen Zustand befindet, und das Ermitteln eines zweiten Spannungswerts, während sich das Anodenventil in einem geöffneten Zustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 5, das Verfahren des Weiteren umfassend: das Ermitteln, ob das Anodenventil vom geschlossenen in den geöffneten Zustand übergegangen ist; und in Reaktion auf ein Ermitteln, dass das Anodenventil in den geöffneten Zustand übergegangen ist, das Erfassen der Spannungsgrößenänderung durch Berechnen einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungswert.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, in Reaktion auf ein Ermitteln, dass die Spannungsgrößenänderung nicht größer als der kalibrierte Spannungsabfall ist, das Wiederholen der Überwachung der Systemspannung und das Erfassen von Spannungsgrößenänderungsschritten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenseite, einer Anodenseite und einem Anodenauslassventil beinhaltet, das Abgas von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels aufnimmt, und worin der Signalausgang in Reaktion auf die Spannungsgrößenänderung, die größer als der kalibrierte Spannungsabfall ist, ein Befehlssignal zum Schließen des Anodenauslassventils beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Brennstoffzellensystem ferner einen Flüssigkeitswasserabscheider beinhaltet, der Anodenabgas aus dem Anodenauslassventil aufnimmt, und worin der Signalausgang in Reaktion auf die Spannungsgrößenänderung, die größer als der kalibrierte Spannungsabfall ist, eine Anzeige beinhaltet, dass der Flüssigkeitswasserabscheider leer oder nahezu leer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellensystem ein Anodenventil beinhaltet, das Verfahren weiterhin umfassend: das Überwachen einer Gasdurchflussmenge des Fluids während einem geschlossenen Zustand des Anodenventils und einem geöffneten Zustand des Anodenventils; und in Reaktion auf ein Ermitteln, dass ein Ändern der überwachten Gasdurchflussmenge einen kalibrierten Strömungsänderungswert überschreitet, das Ausgeben des Signals, welches das Erfassen der Strömungseigenschaftsänderung anzeigt.