DE102019218215A1

DE102019218215A1 - System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle und System und Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle unter Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102019218215A1
Application number: DE102019218215.1A
Authority: DE
Inventors: Soon Woo Kwon; Ik Jae Son
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-01-21
Also published as: US11784332B2; US20210020969A1; US20220231312A1; US11322759B2; KR20210009222A

Abstract

Es wird ein System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Das System umfasst eine Brennstoffzelle, die Leistung durch Empfangen vom Wasserstoff an einer Anodenseite erzeugt und Sauerstoff an einer Kathodenseite empfängt. Eine Rückführungsleitung ist mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden und das darin enthaltene Glas einschließlich Wasserstoff wird in der Rückführungsleitung zirkuliert. Eine Durchflussmengen-Schätzvorrichtung schätzt die Durchflussmenge von Gas innerhalb der Rückführungsleitung. Ein Spülventil ist in der Rückführungsleitung angeordnet und führt das Gas in der Rückführungsleitung nach außen ab, wenn es geöffnet ist. Eine Spülmengen-Schätzvorrichtung schätzt die Spülmenge für jedes durch das Spülventil abgegebenes Gas durch Wiedergeben der durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzte Durchflussmenge des Gases.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle und ein System und Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle unter Verwendung desselben, und insbesondere eine Technologie zum genaueren Schätzen der Spülmenge für jedes Gas, das von einer Anodenseite einer Brennstoffzelle nach außen abgegeben wird, und zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration an einer Anodenseite einer Brennstoffzelle unter Verwendung derselben.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie unter Verwendung der Oxidations- und Reduktionsreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, die von einer Wasserstoffversorgungsvorrichtung bzw. einer Luftversorgungsvorrichtung zugeführt werden, in elektrische Energie um und umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, und ein Kühlsystem, das den Stapel usw. kühlt. Mit anderen Worten wird Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt und die Oxidationsreaktion von Wasserstoff wird an der Anode durchgeführt, um Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen zu erzeugen, und die erzeugten Wasserstoffionen und Elektronen werden durch eine Elektrolytmembran bzw. eine Separatorplatte/Trennplatte zu einer Kathode bewegt. Wasser wird an der Kathode durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, bei der die sich von der Anode bewegenden Wasserstoffionen und Elektronen und der Sauerstoff in der Luft beteiligt sind, und die elektrische Energie wird aus dem Fluss der Elektronen erzeugt.
Da der Wasserstoff, der zu der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein geeignetes Niveau bzw. Maß der Wasserstoffkonzentration aufrechterhalten sollte, wird eine geeignete Steuerung der Wasserstoffspülung in einer Wasserstoffrückführungsleitung durchgeführt. Die Wasserstoffspülsteuerung schätzt im Allgemeinen die Wasserstoffkonzentration in Echtzeit und führt demzufolge die Wasserstoffspülsteuerung durch, um das richtige Niveau der Wasserstoffkonzentration aufrechtzuerhalten. Herkömmlicherweise, da es kein Verfahren gibt, das in der Lage ist, die Wasserstoffkonzentration der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu schätzen, hat ein Verfahren zum Definieren eines Wertes, der durch Integrieren des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle mit der Zeit und Multiplizieren eines Gewichtungsfaktors mit Q und Durchführen einer Spülung erhalten wird, wenn der Q-Wert einen experimentell eingestellten Referenzwert erreicht, eine Steuerung derart durchgeführt, um die Wasserstoffkonzentration der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (beizubehalten z.B. Stromakkumulationssteuerung) .
Bei dem herkömmlichen Spülsteuerverfahren ist jedoch die Beziehung zwischen der Wasserstoffkonzentration, die ein tatsächliches Steuerobjekt ist, und dem Q-Wert nicht klar und dementsprechend ist die Referenz der Soll-Wasserstoffkonzentration oder des Soll-Wasserstoffdrucks nicht klar und daher kann die optimale Steuerung der Wasserstoffkonzentration nicht durchgeführt werden. Insbesondere wird herkömmlicherweise die Gaskonzentration gemäß der Strömungsmenge des Gases auf der Anodenseite, die sich auf der Grundlage eines Betriebs der Brennstoffzelle ändert, nicht berücksichtigt, und unter der Annahme, dass die Gaskonzentration auf der Anodenseite gleichförmig ist, wird die Spülmenge für jedes Gas geschätzt, wodurch somit nicht die ungleichmäßige Gaskonzentration innerhalb der Anodenseite widergespiegelt wird.
Das vorstehend als Hintergrund erläuterte soll lediglich das Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung erleichtern und nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des Standes der Technik fällt, der einem Fachmann bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Technik zum genauen Schätzen der Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben bzw. Reflektieren der Strömungsmenge bzw. Durchflussmenge des an einer Anodenseite einer Brennstoffzelle zirkulierten Gases und Schätzen der Wasserstoffkonzentration der Anodenseite unter Verwendung derselben bereit.
Ein System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Erreichen der Aufgabe kann umfassen eine Brennstoffzelle, die eingerichtet ist, um Leistung durch Empfangen von Wasserstoff an einer Anodenseite und Empfangen von Sauerstoff an einer Kathodenseite zu erzeugen, eine Rückführungsleitung, die mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist und in der das Gas einschließlich Wasserstoff darin zirkuliert wird, eine Durchflussmengen-Schätzvorrichtung, die eingerichtet ist, um den Durchfluss von Gas innerhalb der Rückführungsleitung zu schätzen, ein Spülventil, das in der Rückführungsleitung angeordnet und eingerichtet ist, um das Gas in der Rückführungsleitung nach außen abzugeben, wenn es geöffnet ist, und eine Spülmengen-Schätzvorrichtung, die eingerichtet ist, um die Spülmenge für jedes durch das Spülventil abgegebene Gas durch Wiedergeben der durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Durchflussmenge des Gases zu schätzen. Das Spülventil kann an dem hinteren Ende der Anode der Brennstoffzelle in der Rückführungsleitung angeordnet sein, um das Gas in der Rückführungsleitung, das die Brennstoffzelle durchströmt hat, nach außen abzugeben.
Das System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle kann ferner eine Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um den Differenzialdruck zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende der Spülventils zu berechnen. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung kann eingerichtet sein, um die durch das Spülventil abgegebene gesamte Spülmenge unter Verwendung des durch die Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung berechneten Differenzialdrucks zu schätzen, und um die Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge und der durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Durchflussmenge des Gases zu schätzen.
Darüber hinaus kann die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet sein, um die Durchflussmenge des Gases als erhöht zu schätzen, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle zunimmt. Die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung kann eingerichtet sein, um die Durchflussmenge des Gases als erhöht zu schätzen, wenn sich das durchschnittliche Molekulargewicht des in der Rückführungsleitung enthaltenen Gases verringert. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung kann eingerichtet sein, um die Spülmenge für jedes Gas als proportional zu dem Massenverhältnis des entsprechenden Gases unter der gesamten Spülmenge zu schätzen. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung kann auch eingerichtet sein, um die Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben bzw. Reflektieren eines Gewichts auf die Masse von Stickstoff für die Spülmenge von Stickstoff unter der Gesamtspülmenge zu schätzen, und das Gewicht kann zuvor derart abgebildet werden, dass es verringert wird, wenn die durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzte Durchflussmenge des Gases zunimmt.
Das System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle kann ferner eine Spülsteuerung umfassen, die eingerichtet ist, um eine Öffnungsdauer, einen Öffnungsgrad oder eine Öffnungshaltezeit des Spülventils auf der Grundlage der von der Spülmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Spülmenge einzustellen bzw. anzupassen. Ein System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Erreichen der Aufgabe kann ferner eine Konzentrationsschätzvorrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um die Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der von der Spülmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Spülmenge zu schätzen.
Die Konzentrationsschätzvorrichtung kann eingerichtet sein, um eine Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung, der Übergangsmenge (Crossover-Menge), die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle übergegangen ist bzw. überwechselt, und der geschätzten Spülmenge für jedes Gas zu schätzen. Darüber hinaus kann die Konzentrationsschätzvorrichtung eingerichtet sein, um die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung zu schätzen. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung kann eingerichtet sein, um die durch das Spülventil abgeführte Gesamtspülmenge zu schätzen und die Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge und der durch die Konzentrationsschätzvorrichtung geschätzten Konzentration für jedes Gas zu schätzen.
Ein Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung zum Erreichen der Aufgabe kann umfassen ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases in einer Rückführungsleitung zum Zirkulieren bzw. Umwälzen des Gases einschließlich Wasserstoff zu einer Anodenseite einer Brennstoffzelle, Schätzen der Spülmenge für jedes Gas, das durch ein in der Rückführungsleitung angeordnetes Spülventil nach außen abgegeben wird, auf der Grundlage der geschätzten Durchflussmenge des Gases und Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der geschätzten Spülmenge.
Das Schätzen der Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung kann ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases als erhöht umfassen, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle zunimmt. Das Schätzen der Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung kann ebenfalls ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases als erhöht umfassen, wenn sich das durchschnittliche Molekulargewicht des in der Rückführungsleitung enthaltenen Gases verringert.
Ferner kann das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas als proportional zu dem Massenverhältnis des entsprechenden Gases unter der gesamten Spülmenge umfassen. Das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas kann ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben bzw. Reflektieren eines Gewichts auf die Masse von Stickstoff für die Spülmenge von Stickstoff unter der gesamten Spülmenge umfassen, und das Gewicht kann zuvor derart abgebildet werden, dass es verringert wird, wenn die von der Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzte Durchflussmenge des Gases zunimmt.
Das Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle kann ferner umfassen vor einem Schätzen der Spülmenge für jedes Gas ein Berechnen des Differenzialdrucks zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Spülventils und Schätzen der gesamten Spülmenge, die durch das Spülventil abgegeben wird, unter Verwendung des berechneten Differenzialdrucks. Das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas kann ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge, der geschätzten Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung und der zuvor geschätzten Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung umfassen.
Darüber hinaus kann das Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung ein Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung, der Übergangsmenge bzw. Crossover-Menge, die zwischen der Anodenseite und einer Kathodenseite der Brennstoffzelle übergegangen ist bzw. überwechselt, und der geschätzten Spülmenge für jedes Gas umfassen. Das Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle kann ferner nach einem Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung ein Einstellen bzw. Anpassen einer Öffnungsdauer, eines Öffnungsgrades oder einer Öffnungshaltezeit des Spülventils auf der Grundlage der geschätzten Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung umfassen.
Gemäß dem System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle kann es möglich sein, die Spülmenge für jedes Gas durch das Spülventil genauer zu schätzen, wenn die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung nicht gleichförmig ist, indem die Durchflussmenge des Gases wiedergegeben bzw. reflektiert wird. Darüber hinaus kann es gemäß dem System und dem Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle unter Verwendung desselben möglich sein, die Wasserstoffkonzentration des zu der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführten Gases genauer zu schätzen, wodurch die Konzentration derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass sie auf der Soll-Wasserstoffkonzentration gehalten wird, und demzufolge wird die Wirtschaftlichkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert.
Figurenliste
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich:

1 zeigt ein Blockdiagramm, das ein System zum Schätzen der Spülmengen der Brennstoffzelle und ein System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle unter Verwendung desselben gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
3 zeigt ein Diagramm, das die Konzentration für jedes Gas in einer Rückführungsleitung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
4 zeigt ein Diagramm, das die tatsächliche Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung gemäß dem Stand der Technik darstellt; und
5 zeigt ein Diagramm, das ein die Durchflussmenge des Gases wiedergegebenes Gewicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess bzw. das beispielhafte Verfahren durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse/Verfahren auch durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Zusätzlich versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um diese Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse/Verfahren durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Offenbarung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. „Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „ungefähr“ verändert.
Bestimmte strukturelle und funktionale Beschreibungen der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung, die in der vorliegenden Beschreibung oder der vorliegenden Anmeldung offenbart sind, dienen nur dem Zweck der Veranschaulichung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und die Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollten nicht als auf die in der Beschreibung oder Anmeldung dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt angesehen werden.
In den Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung können verschiedene Modifikationen und verschiedene Formen vorgenommen werden, so dass bestimmte Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen dargestellt und in der Beschreibung oder Anmeldung ausführlich beschrieben sind. Es versteht sich jedoch, dass nicht beabsichtigt ist, die Ausführungsformen gemäß den Konzepten bzw. Gedanken der vorliegenden Offenbarung auf die bestimmten offenbarten Formen zu beschränken, sondern alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen umfasst sind, die in die Lehre und den technischen Umfang der vorliegenden Offenlegung fallen.
Die Ausdrücke „erste“ und/oder „zweite“ und dergleichen können verwendet werden, um verschiedene Komponenten zu veranschaulichen, aber die Komponenten sollten nicht durch die Ausdrücke beschränkt sein. Die Ausdrücke werden verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, beispielsweise kann eine erste Komponente als zweite Komponente bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise kann die zweite Komponente auch als erste Komponente bezeichnet werden, ohne von den Ansprüchen gemäß den Konzepten bzw. Gedanken der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, es mit dem anderen Element „direkt verbunden“ oder „gekoppelt“ sein kann, aber auch mit dem anderen Element, wobei andere Elemente dort dazwischen eingefügt bzw. angeordnet sind. Andererseits versteht es sich, dass jedes Konfigurationselement kein anderes Element dazwischen aufweist, wenn das als „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ mit einem anderen Element angegeben ist. Andere Ausdrücke, die die Beziehung zwischen Elementen beschreiben, wie „zwischen“ und „direkt zwischen“ oder „neben“ und „direkt neben“, sollten ebenfalls derart ausgelegt werden.
Die in der Beschreibung verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Die Singularformen sollen auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Sofern nicht anders definiert, haben alle Begriffe, einschließlich der hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die gleiche Bedeutung, wie sie vom Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Offenbarung gehört, allgemein verstanden wird. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, wie sie in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, zusätzlich so ausgelegt werden sollten, dass sie eine Bedeutung aufweisen, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des relevanten Fachgebiets übereinstimmt, und nicht idealisiert oder übermäßig formal ausgelegt werden, sofern dies nicht ausdrücklich in der Beschreibung festgelegt ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung detailliert beschrieben, indem bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Die gleichen Bezugszeichen, die in jeder Zeichnung angegeben sind, bezeichnen die gleichen Elemente.
1 zeigt ein Blockdiagramm, das ein System zum Schätzen der Spülmengen der Brennstoffzelle 10 und ein System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung desselben gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt, und 2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 kann ein System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Brennstoffzelle 10, die eingerichtet ist, um Wasserstoff an einer Anodenseite zu empfangen und um Sauerstoff an einer Kathodenseite zu empfangen, um Leistung zu erzeugen; eine Rückführungsleitung 20, die mit der Anodenseite verbunden ist und in der darin enthaltener Wasserstoff zirkuliert wird; eine Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50, die eingerichtet ist, um die Durchflussmenge von Gas innerhalb der Rückführungsleitung 20 zu schätzen; ein Spülventil 30, das in der Rückführungsleitung 20 angeordnet und eingerichtet ist, um das Gas in der Rückführungsleitung 20 nach außen abzugeben, wenn es geöffnet ist; und eine Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung 40, die eingerichtet ist, um die Spülmenge für jedes durch das Spülventil 30 abgegebene Gas durch Wiedergeben der von der Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 geschätzten Durchflussmenge des Gases zu schätzen, umfassen.
Die Brennstoffzelle 10 ist ein Stapel der Brennstoffzelle 10, der darin eine Membranelektrodenanordnung (MEA) umfasst, und ist eingerichtet, um elektrische Energie durch die wechselseitige chemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff darin zu erzeugen. Insbesondere kann ein Wasserstoff enthaltendes Gas an die Anodenseite 11 der Brennstoffzelle zugeführt werden, und ein Gas wie beispielsweise Sauerstoff enthaltende Luft kann an die Kathodenseite 12 der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden. Die Rückführungsleitung 20 kann mit der Anodenseite 11 der Brennstoffzelle 10 verbunden sein, um Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführen. Insbesondere kann die Rückführungsleitung 20 derart angeschlossen sein, dass das den Wasserstoff enthaltende Gas, das durch die Brennstoffzelle 10 zu dem Auslass abgegeben wird, wieder zu dem Einlass der Brennstoffzelle 10 zurückgeführt werden kann.
Das Spülventil 30 kann in der Rückführungsleitung 20 angeordnet sein. Gemäß der Spülsteuerung, bei der das Spülventil 30 geöffnet ist, kann das den Wasserstoff enthaltende Gas in der Rückführungsleitung 20 nach außen abgegeben werden. Insbesondere kann das Gas, das Verunreinigungen in der Rückführungsleitung 20 enthält, durch die Spülsteuerung nach außen abgegeben werden, und reiner Wasserstoff kann aus einem Wasserstofftank zugeführt werden, um die Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 aufrechtzuerhalten.
Die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 kann eingerichtet sein, um die Durchflussmenge des Gases innerhalb der Rückführungsleitung 20 zu schätzen. Wie später beschrieben wird, kann die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 eingerichtet sein, um die Durchflussmenge zu schätzen, mit der das Gas innerhalb der Rückführungsleitung 20 zirkuliert, oder um die diffundierte Durchflussmenge auf der Grundlage der Bewegung von in dem Gas enthaltenen Molekülen zu schätzen. Mit anderen Worten kann die Durchflussmenge die Durchflussmenge gemäß der Diffusionsbewegung der in der Flüssigkeit enthaltenen Moleküle sowie die Durchflussmenge des in eine Richtung strömenden Gases umfassen. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 kann eingerichtet sein, um die Spülmenge für jedes durch das Spülventil 30 abgegebenes Gas durch Wiedergeben der durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 geschätzten Durchflussmenge des Gases zu schätzen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 eingerichtet sein, um die Wasserstoffmenge, die Stickstoffmenge bzw. die Dampfmenge zu schätzen, und zwar unter der Annahme, dass das Gas in der Rückführungsleitung 20 aus Wasserstoff, Stickstoff und Dampf besteht.
3 zeigt ein Diagramm, das die Konzentration für jedes Gas in einer Rückführungsleitung gemäß dem Stand der Technik darstellt, und 4 zeigt ein Diagramm, das die tatsächliche Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 darstellt. Weiter bezugnehmend auf 3 und 4 wurde gemäß dem Stand der Technik angenommen, dass die Rückführungsleitung 20 unabhängig von ihrer Position die gleiche Gaskonzentration aufweist.
Insbesondere gibt es einen Unterschied zwischen der Konzentration für jedes Gas in einem Ejektor, der einen Punkt darstellt, an dem die Rückführungsleitung 20 mit einem Wasserstoff verbunden ist, um Wasserstoff durch die Reaktion und den Übergang usw. zwischen der Anode und der Kathode durch eine MEA in der Brennstoffzelle 10 zuzuführen, und der Konzentration für jedes Gas in dem Spülventil 30, das durch Durchströmen der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 abgegeben und nach außen gespült wird. Es wurde jedoch herkömmlicherweise angenommen, dass die Konzentration für jedes Gas an allen Punkten der Rückführungsleitung 20 wie in 3 gleichmäßig ist, aber in Wirklichkeit ist die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 jedoch unterschiedlich, wie in 4 dargestellt.
Genauer gesagt, wenn der hohe Strom oder die hohe Leistung von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, nimmt die Durchflussmenge in der Rückführungsleitung 20 zu und demzufolge ist die Konzentration jedes Gases gemäß der Position der Rückführungsleitung 20 nahezu gleichförmig, aber in dem Abschnitt eines Betriebs, in dem die Brennstoffzelle 10 den geringen Strom oder die geringe Leistung abgibt, nimmt die Durchflussmenge der Rückführungsleitung 20 ab und demzufolge wird die Konzentration jedes Gases gemäß der Position der Rückführungsleitung 20 ungleichmäßiger.
Um dieses tatsächliche Phänomen genauer widerzuspiegeln, umfasst die vorliegende Offenbarung ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas, das durch das Spülventil 30 abgeführt wird, durch Wiedergeben der geschätzten Durchflussmenge des Gases. Demzufolge kann es möglich sein, die Spülmenge für jedes Gas durch das Spülventil 30 in dem Zustand genauer zu schätzen, in dem die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 wie in dem Betriebsabschnitt mit niedrigem Strom der Brennstoffzelle 10 ungleichmäßig ist.
Das Spülventil 30 kann an dem hinteren Ende der Anode der Brennstoffzelle 10 in der Rückführungsleitung 20 angeordnet sein, um das Gas in der Rückführungsleitung 20, das die Brennstoffzelle 10 durchströmt hat, nach außen abzugeben. Wenn der Auslass und Übergang von Wasserstoff usw. durch den Materialaustausch und die Energieerzeugung mit der Katode über die Anode der Brennstoffzelle abgeschlossen sind, verbraucht das Gas in der Rückführungsleitung teilweise Wasserstoff und enthält eine erhebliche Menge an Verunreinigungen. Das Spülventil kann an dem hinteren Ende der Anode der Brennstoffzelle 10 in der Rückführungsleitung 20 angeordnet sein, um das Gas, dass eine wesentliche Menge an Verunreinigungen enthält, nach außen abzuführen.
Die vorliegende Offenbarung kann ferner eine Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung 40 umfassen, die eingerichtet ist, um den Differenzialdruck zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Spülventils 30 zu berechnen. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 kann eingerichtet sein, um die gesamte Spülmenge, die durch das Spülventil 30 abgeführt wird, unter Verwendung des von der Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung 40 berechneten Differenzialdrucks zu schätzen und um die Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge und der von der Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 geschätzten Durchflussmenge zu schätzen.
Die Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung 40 kann eingerichtet sein, um den Differenzialdruck zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Spülventils 30 durch Subtrahieren des Drucks des hinteren Endes von dem Druck des vorderen Endes des Spülventils 30 zu berechnen. Insbesondere kann das vordere Ende des Spülventils 30 an dem hinteren Ende der Anodenseite der Rückführungsleitung 20 angeordnet sein, und es kann möglich sein, den Druck des vorderen Endes des Spülventils 30 unter Verwendung eines in der Rückführungsleitung 20 angebrachten Drucksensors zu messen. Darüber hinaus kann das hintere Ende des Spülventils 30 direkt mit der Außenseite des Fahrzeugs verbunden sein oder mit dem Auslass der Kathodenseite verbunden sein.
Insbesondere kann die Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung 40 eingerichtet sein, um die Gesamtspülrate mit der Zeit wie folgt unter Verwendung des von der Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung 40 berechneten Differenzialdrucks und einer Spülverstärkung (C) zu berechnen, und um die Gesamtspülmenge durch Multiplizieren der Gesamtspülrate mit einer Haltezeit (T) zu berechnen. $n_{\overset{\cdot}{p u r g e}} = C (P_{a n} - P_{o u t})$
Die Spülmengen für jedes Gas kann durch Multiplizieren der Gesamtspülmenge mit der Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 in einem Ausführungsbeispiel berechnet werden, aber die vorliegende Offenbarung kann ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben der von der Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 geschätzten Durchflussmenge des Gases umfassen. Die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 kann eingerichtet sein, um die Durchflussmenge von Gas als erhöht zu schätzen, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle 10 ansteigt.
Wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle zunimmt, kann die in der Brennstoffzelle 10 verbrauchte Menge an Wasserstoff zunehmen, und demzufolge kann die Durchflussmenge von Gas ansteigen. Wenn umgekehrt der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle 10 abnimmt, kann die in der Brennstoffzelle 10 verbrauchte Wasserstoffmenge abnehmen, und somit kann sich die Durchflussmenge von Gas ebenfalls verringern. Demzufolge kann die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 eingerichtet sein, um zu schätzen, dass die Durchflussmenge des in einer Richtung strömenden Gases erhöht sein kann, wodurch die Durchflussmenge des Gases erhöht wird, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle 10 zunimmt. Darüber hinaus kann die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 eingerichtet sein, um die Durchflussmenge des Gases als erhöht zu schätzen, wenn das durchschnittliche Molekulargewicht des in der Rückführungsleitung 20 enthaltenen Gases abnimmt.
In einem Ausführungsbeispiel kann das durchschnittliche Molekulargewicht unter Verwendung der Konzentration für jedes Gas und des Molekulargewichts für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 geschätzt werden. Die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 kann die Wasserstoffmenge, die Stickstoffmenge und die Dampfmenge, die von der Konzentrationsschätzvorrichtung 70 geschätzt werden, als die Konzentration für jedes Gas verwenden, wie nachstehend beschrieben. Das Molekulargewicht für jedes Gas bezieht sich auf die Masse eines Mols Moleküle, wobei Wasserstoff ungefähr 2,016 [g] betragen kann, Stickstoff ungefähr 28,016 [g] betragen kann und Dampf ungefähr 18,02 [g] betragen kann. Mit anderen Worten kann das durchschnittliche Molekulargewicht durch Multiplizieren und Summieren des Molekulargewichts für jedes Gas gemäß der Konzentration für jedes Gas berechnet werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Masse des in der Rückführungsleitung 20 enthaltenen Gases durch Dividieren der Zahl der Mole des Gases in der Rückführungsleitung 20 berechnet werden. Da das Volumen der Rückführungsleitung 20 gleich ist, kann die Zahl der Mole des Gases in der Rückführungsleitung 20 als konstant angenommen werden, vorausgesetzt, dass der Druck der Rückführungsleitung 20 konstant ist.
5 zeigt ein Diagramm, das ein die Durchflussmenge des Gases wiedergebendes Gewicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt. Unter Bezugnahme auf 5 kann ein Gewicht (ω), das die Durchflussmenge von Gas gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung widerspiegelt, zuvor derart abgebildet werden, dass es verringert wird, wenn die von der Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 geschätzte Durchflussmenge des Gases erhöht wird.
Genauer gesagt kann das Gewicht (ω) gemäß dem erzeugten Strom und dem durchschnittlichen Molekulargewicht der Brennstoffzelle 10 auf eine zweidimensionale Karte abgebildet werden. Insbesondere kann das Gewicht (ω) umgekehrt proportional zu der Größe des erzeugten Stroms der Brennstoffzelle 10 und proportional zu der Größe des durchschnittlichen Molekulargewichts sein. Mit anderen Worten kann das Gewicht (ω) derart eingestellt werden, dass es zunimmt, wenn der erzeugte Strom der Brennstoffzelle 10 abnimmt, und dass es zunimmt, wenn die Größe des durchschnittlichen Molekulargewichts zunimmt.
Die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 kann eingerichtet sein, um die Spülmenge für jedes Gas als proportional zu dem Massenverhältnis des entsprechenden Gases unter der Gesamtspülmenge zu schätzen. Das Massenverhältnis jedes Gases kann durch das Verhältnis jedes Gases berechnet werden, das durch Multiplizieren jeder Gasmenge (Mol) mit dem Molekulargewicht des entsprechenden Gases berechnet wird. Insbesondere kann die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 eingerichtet sein, um die Spülmenge für jedes Gas durch Reflektieren eines Gewichts (ω) auf die Masse von Stickstoff für die Spülmengen von Stickstoff unter der Gesamtspülmenge zu schätzen.
Insbesondere können die Spülmenge an Wasserstoff, die Spülmenge an Stickstoff und die Spülmenge an Dampf unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden. Die Gesamtspülmenge kann durch Multiplizieren der Gesamtspülrate mit der Haltezeit (T) wie oben beschrieben berechnet werden. $n_{H_{2}_p u r g e} = \frac{M_{H_{2}} n_{H_{2}}}{M_{H_{2}} n_{H_{2}} + ω M_{N_{2}} n_{N_{2}} + M_{v} n_{v}} n_{p u r g e}$
$n_{N_{2}_p u r g e} = \frac{ω M_{N_{2}} n_{N_{2}}}{M_{H_{2}} n_{H_{2}} + ω M_{N_{2}} n_{N_{2}} + M_{v} n_{v}} n_{p u r g e}$
$n_{v_p u r g e} = \frac{M_{v} n_{v}}{M_{H_{2}} n_{H_{2}} + ω M_{N_{2}} n_{N_{2}} + M_{v} n_{v}} n_{p u r g e}$
wobei sich ω auf ein Gewicht bezieht, M_H
2, M_N
2 und M_V sich auf das Molekulargewicht von Wasserstoff, Stickstoff bzw. Dampf beziehen und sich n_purge auf die Gesamtmenge der Spülung bezieht.
Die vorliegende Offenbarung kann ferner eine Spülsteuerung 80 umfassen, die eingerichtet ist, um eine Öffnungsdauer, einen Öffnungsgrad oder eine Öffnungshaltezeit des Spülventils 30 auf der Grundlage der durch die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 geschätzten Spülmenge einzustellen bzw. anzupassen. Die Spülsteuerung 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eingerichtet sein, um eine Öffnungsdauer, einen Öffnungsgrad oder eine Öffnungshaltezeit des Spülventils 30 einzustellen, um die Spülmenge einzustellen, die geändert wird, wenn die Durchflussmenge des Gases derart geändert wird, dass sie wie vorher gleich ist. Demzufolge kann die Spülverstärkung (C) geändert werden.
Wenn die Durchflussmenge des Gases verringert wird, wird die Spülmenge von Stickstoff im Vergleich zu der gesamten Spülmenge erhöht, und somit kann die Spülsteuerung 80 eingerichtet sein, um die Öffnungsdauer des Spülventils zu erhöhen, den Öffnungsgrad des Spülventils 30 zu reduzieren oder die Öffnungshaltezeit der Spülventils 30 zu verringern, um zu bewirken, dass die Spülmenge von Stickstoff gleich ist. Wenn umgekehrt die Durchflussmenge von Gas erhöht wird, kann die Steuerung umgekehrt zu dem obigen Prozess bzw. Vorgang durchgeführt werden.
Ein System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung des Systems zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine Konzentrationsschätzvorrichtung 70 umfassen, die eingerichtet ist, um eine Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 auf der Grundlage der von der Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 geschätzten Spülmenge zu schätzen. Insbesondere kann die Konzentrationsschätzvorrichtung 70 eingerichtet sein, um die Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 auf der Grundlage der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung 20, der Übergangsmenge, die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 übergegangen ist, und der geschätzten Spülmenge für jedes Gas zu schätzen.
Zusätzlich kann die Konzentrationsschätzvorrichtung 70 eingerichtet sein, um die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 zu schätzen, und die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 kann eingerichtet sein, um die gesamte Spülmenge zu schätzen, die durch das Spülventils 30 abgeführt wird, und die Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten gesamten Spülmenge und der von der Konzentrationsschätzvorrichtung 70 geschätzten Konzentration für jedes Gas zu schätzen. Die Spülmengen-Schätzvorrichtung 60 kann ferner eingerichtet sein, um die Zahl von Molen für jedes in der Rückführungsleitung 20 enthaltene Gas unter Verwendung der Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20, die unmittelbar zuvor durch die Konzentrationsschätzvorrichtung 70 geschätzt worden ist, zu schätzen. Die Gesamtzahl von Molen des in der Rückführungsleitung 20 enthaltenen Gases kann unter Verwendung des Gasdrucks (P), des Volumens (V) und der Temperatur (T) der Rückführungsleitung 20 unter Verwendung der folgenden Gleichung geschätzt werden. $n_{A n} = \frac{P_{A n} V_{A n}}{R T}$
wobei sich R auf eine Gaskonstante von 8,314 [J/molK] bezieht.
Ein Verfahren zum Schätzen der Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 durch die Konzentrationsschätzvorrichtung 70 wird später beschrieben. Das nachstehend beschriebene Verfahren kann von einer Steuerung (Controller) ausgeführt werden. Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann ein Verfahren zum Schätzen der Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfassen ein Schätzen der Durchflussmenge von Gas in der Rückführungsleitung 20 zum Zirkulieren des Wasserstoff enthaltenden Gases zu der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 (Operation S100); Schätzen der Spülmenge für jedes Gas, das durch das in der Rückführungsleitung 20 angeordnete Spülventil 30 zu der Außenseite abgeführt wird, auf der Grundlage der geschätzten Durchflussmenge des Gases (Operation S300); und Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 auf der Grundlage der geschätzten Spülmenge (Operation S400).
Das Schätzen der Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung 20 (Operation S100) kann ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases als erhöht umfassen, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle 10 zunimmt. Das Schätzen der Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung 20 (Operation S100) kann ferner ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases als erhöht umfassen, wenn das durchschnittliche Molekulargewicht des in der Rückführungsleitung 20 enthaltenen Gases abnimmt.
Das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas (Operation S300) kann ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas als proportional zu dem Massenverhältnis des entsprechenden Gases unter der Gesamtspülmenge umfassen. Insbesondere kann das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas (Operation S300) ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben des Gewichts (ω) auf das Massenverhältnis von Stickstoff für die Spülmenge von Stickstoff unter der gesamten Spülmenge umfassen, und das Gewicht (ω) kann zuvor derart abgebildet werden, dass es verringert wird, wenn die durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung 50 geschätzte Durchflussmenge des Gases zunimmt.
Vor einem Schätzen der Spülmenge für jedes Gas (Operation S300) kann die vorliegende Offenbarung ferner umfassen ein Berechnen des Differenzialdrucks zwischen dem vorderen Ende und im hinteren Ende des Spülventils 30 und ein Schätzen der Gesamtspülmenge, die durch das Spülventils 30 abgeführt wird, unter Verwendung des berechneten Differenzialdrucks. Das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas kann ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge, der geschätzten Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung 20 und der zuvor geschätzten Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung 20 umfassen.
Das Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 (Operation S400) kann ein Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 auf der Grundlage der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung 20, der Übergangsmenge, die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 übergegangen ist, und der geschätzten Spülmenge für jedes Gas umfassen. Insbesondere kann eine Gasdiffusionsrate umgekehrt proportional zu der Dicke der Elektrolytmembran des Stapels der Brennstoffzelle 10 und proportional zu der Gaspartialdruckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite sein. Mit anderen Worten kann der Betrag bzw. die Menge des Überganges (Crossover) unter Anwendung des folgenden Fickschen Gesetzes (Diffusionsgesetz) berechnet werden. $\frac{\dot{m}}{A} = - D \frac{\partial c}{\partial x} = - D \frac{M}{R T} \frac{\partial P}{\partial x}$
wobei sich ṁ auf eine Massendiffusionsrate (g/s) des Gases bezieht, A auf eine Diffusionsfläche bezieht, D auf einen Gasdiffusionskoeffizienten bezieht, x auf einen Diffusionsabstand bezieht, c auf eine Gaskonzentration bezieht, R auf eine universelle Gaskonstante (8,314 J/mol) bezieht und P auf einen Gasdruck bezieht, T auf eine Gastemperatur bezieht und M auf die Molmasse (g/mol) des Gases bezieht. Dies kann wie folgt zusammengefasst werden. $\dot{m} = - D \frac{M}{R T} \frac{\partial P}{\partial x} A = \dot{n} \cdot M$
$\dot{n} = - D \frac{1}{R T} \frac{\partial P}{\partial x} A$
wobei sich ṅ auf eine Übergangsrate mit der Zeit (mol/s) bezieht. Der Betrag bzw. die Menge des Übergangs kann berechnet werden, indem die Übergangsrate gemäß der Zeit mit der Zeit multipliziert wird. Mit anderen Worten kann die Übergangsrate, die zwischen den Elektrolytmembranen des Brennstoffzellenstapels 10 übergegangen ist, durch die folgende Gleichung berechnet werden. $n_{\dot{N} 2_x o} = \frac{D_{N 2}}{R T} \frac{P_{C a, N 2} - P_{A n, N 2}}{δ} A$
wobei sich $n_{\dot{N} 2_x o}$
auf eine Diffusionsrate von Stickstoff bezieht, P auf einen Druck bezieht, [kPa], R auf eine Gaskonstante bezieht, 8,314 [J/mol/K], T auf eine Temperatur bezieht, [K], D auf einen Diffusionskoeffizienten bezieht, A auf eine Fläche einer Elektrolytmembran bezieht, δ auf die Dicke einer Elektrolytmembran bezieht, P_Ca,N2 auf einen Stickstoffpartialdruck an der Seite der Kathode 12 der Brennstoffzelle 10 bezieht, P_An,V auf ein Stickstoffpartialdruck an der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 bezieht. $n_{\dot{V}_x o} = \frac{D_{V}}{R T} \frac{P_{C a, V} - P_{A n, V}}{δ} A$
wobei sich ṅ_{v_xo} auf eine Diffusionsrate von Dampf bezieht, P auf einen Druck bezieht, [kPa], R auf eine Gaskonstante bezieht, 8,314 [J/mol/K], T auf eine Temperatur bezieht, [K], D auf einen Diffusionskoeffizienten bezieht, A auf eine Fläche einer Elektrolytmembran bezieht, δ auf die Dicke einer Elektrolytmembran bezieht, P_Ca,V auf einen Dampfpartialdruck auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 bezieht, P_An,V auf einen Dampfpartialdruck an der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 bezieht.
Umgekehrt kann Wasserstoff von der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 zu deren Kathodenseite überwechseln. $n_{H \dot{2}_x o} = \frac{D_{H 2}}{R T} \frac{P_{A n, H 2} - P_{C a, H 2}}{δ} A$
wobei sich $n_{H \dot{2}_x o}$
auf eine Wasserstoffdiffusionsrate bezieht, P auf einen Druck bezieht, [kPa], R auf eine Gaskonstante bezieht, 8,314 [J/mol/K], T auf eine Temperatur bezieht, [K], D auf einen Diffusionskoeffizienten bezieht, A auf eine Fläche einer Elektrolytmembran bezieht, δ auf die Dicke einer Elektrolytmembran bezieht, P_An,H2 auf einen Wasserstoffpartialdruck an der Anodenseite bezieht und P_Ca,H2 auf einen Wasserstoffpartialdruck an der Kathodenseite bezieht.
Darüber hinaus kann die Übergangsrate proportional zu dem Gasdiffusionskoeffizienten sein und der Gasdiffusionskoeffizient (D) kann gemäß dem Wassergehalt und der Temperatur der Elektrolytmembran, die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist, geändert werden.
Der Gasdiffusionskoeffizient (D) kann auch einen festen konstanten Wert verwenden, aber um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, kann der Gasdiffusionskoeffizient (D) auch einen Wert verwenden, der auf der Grundlage des Zustands einer Verschlechterung, einer Temperatur usw. der Brennstoffzelle 10 geändert wird. Insbesondere kann der Gasdiffusionskoeffizient (D) unter Verwendung eines Wertes berechnet werden, der gemäß dem Wassergehalt und der Temperatur der Elektrolytmembran, die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist, geändert wird. Darüber hinaus kann der Gasdiffusionskoeffizient (D) auch derart berechnet werden, dass er sich ändert, wenn sich die Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 10 verschlechtert.
Die anfängliche Stickstoffmenge und die anfängliche Strommenge in der Rückführleitung 20 können vorhergesagt werden. In einem Ausführungsbeispiel kann es möglich sein, die anfängliche Stickstoffmenge und die anfängliche Dampfmenge beim Neustart vorherzusagen, indem die Stoppzeit, bei der ein Zustand aufrechterhalten wird, in dem die Energieerzeugung gestoppt worden ist, auf die Stickstoffmenge und die Dampfmenge widergespiegelt wird, die geschätzt wird, bevor die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 gemäß dem Start der Brennstoffzelle 10 gestoppt wird.
Es kann möglich sein, die aktuelle Menge an Stickstoff in der Rückführungsleitung 20 auf der Grundlage der Stickstoffmenge, die übergegangen ist, und der gespülten Stickstoffmenge zu berechnen, indem die anfängliche Stickstoffmenge und die übergegangene Stickstoffmenge bzw. die an der Anodenseite gespülte Stickstoffmenge berechnet werden. Darüber hinaus kann es möglich sein, die aktuelle Dampfmenge in der Rückführungsleitung 20 zu berechnen, indem die vorhergesagte anfängliche Dampfmenge, die übergegangene Dampfmenge bzw. die gespülte Dampfmenge berechnet werden. Es kann möglich sein, die aktuelle Wasserstoffmenge durch Subtrahieren der aktuellen Stickstoffmenge und der aktuellen Dampfmenge von der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung 20 zu schätzen. Die Wasserstoffkonzentration kann durch Dividieren der aktuellen Wasserstoffmenge durch die Gesamtgasmenge geschätzt werden.
Nach Schätzen der Wasserstoffkonzentration (Operation S400) kann die vorliegende Offenbarung ferner ein Einstellen bzw. Anpassen einer Öffnungsdauer, eines Öffnungsgrades oder einer Öffnungshaltezeit des Spülventils 30 auf der Grundlage der geschätzten Spülmenge oder der geschätzten Wasserstoffkonzentration (Operation S500) umfassen. Insbesondere kann der Einstellprozess (Operation S500) umfassen ein Bestimmen, ob die geschätzte Wasserstoffkonzentration der Soll-Wasserkonzentration entspricht, und Betreiben des Spülventils 30, um die Konzentration derart einzustellen, dass sie der Soll-Wasserstoffkonzentration entspricht. Der Einstellprozess (Operation S500) kann ferner ein Einstellen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 durch Variieren der Spülmenge durch Einstellen der Öffnungsdauer, des Öffnungsgrades oder der Öffnungshaltezeit des Spülventils 30 umfassen. Alternativ, wenn die geschätzte Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gehalten wird und ein vorgegebener unter der Grenzwert ist, kann der Einstellprozess (Operation S500) ein Beibehalten des Öffnungsgrades des Spülventils 30 für eine vorgegebene Haltezeit oder Beibehalten des Öffnungsgrades des Spülventils 30, bis ein vorgegebener oberer Grenzwert erreicht ist, umfassen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Einstellprozess (Operation S500) ein Einstellen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung 20 durch Betreiben eines Wasserstoffversorgungsventils oder eines Ejektors zwischen einem Wasserstofftank und einer Rückführungsleitung 20 umfassen. Mit anderen Worten kann, wenn die geschätzte Wasserstoffkonzentration kleiner als die Soll-Wasserstoffkonzentration ist, der Einstellprozess (Operation S500) ein Öffnen des Wasserstoffversorgungventils und Betreiben des Ejektors umfassen, um Wasserstoff zu der Rückführungsleitung 20 zuzuführen. Demzufolge kann es möglich sein, die Wasserstoffkonzentration mit verbesserter Genauigkeit zu schätzen und demzufolge eine unnötige Spülung zu verhindern und die Spülung ordnungsgemäß zu steuern, so dass die Wasserstoffkonzentration auf einer bestimmten Konzentration oder mehr gehalten werden kann, wodurch die Wirtschaftlichkeit und die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 10 verbessert werden.
Während es in Bezug auf die spezifischen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben worden ist, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Verbesserungen und Änderungen der vorliegenden Offenbarung innerhalb der technischen Lehre der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, wie dies durch die folgenden Ansprüche dargestellt ist.

Claims

System zum Schätzen der Spülmenge einer Brennstoffzelle, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die eingerichtet ist, um Leistung durch Empfangen von Wasserstoff an einer Anodenseite und Empfangen von Sauerstoff an einer Kathodenseite zu erzeugen; eine Rückführungsleitung, die mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist und in der das Gas einschließlich Wasserstoff darin zirkuliert wird; eine Durchflussmengen-Schätzvorrichtung, die eingerichtet ist, um den Durchfluss von Gas innerhalb der Rückführungsleitung zu schätzen; ein Spülventil, das in der Rückführungsleitung angeordnet ist und durch welches das Gas in der Rückführungsleitung nach außen abgegeben wird, wenn es geöffnet ist; und eine Spülmengen-Schätzvorrichtung, die eingerichtet ist, um die Spülmenge für jedes durch das Spülventil abgegebene Gas durch Wiedergeben der durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Durchflussmenge des Gases zu schätzen.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei das Spülventil an dem hinteren Ende der Anode der Brennstoffzelle in der Rückführungsleitung angeordnet ist, um das Gas in der Rückführungsleitung, das die Brennstoffzelle durchströmt hat, nach außen abzugeben.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um den Differenzialdruck zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende der Spülventils zu berechnen, wobei die Spülmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet ist, um die durch das Spülventil abgegebene gesamte Spülmenge unter Verwendung des durch die Differenzialdruck-Berechnungsvorrichtung berechneten Differenzialdrucks zu schätzen, und um die Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge und der durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Durchflussmenge des Gases zu schätzen.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet ist, um die Durchflussmenge des Gases als erhöht zu schätzen, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle zunimmt.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet ist, um die Durchflussmenge des Gases als erhöht zu schätzen, wenn sich das durchschnittliche Molekulargewicht des in der Rückführungsleitung enthaltenen Gases verringert.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, wobei die Spülmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet ist, um die Spülmenge für jedes Gas als proportional zu dem Massenverhältnis des entsprechenden Gases unter der gesamten Spülmenge zu schätzen.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 6, wobei die Spülmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet ist, um die Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben eines Gewichts auf die Masse von Stickstoff für die Spülmenge von Stickstoff unter der Gesamtspülmenge zu schätzen, und wobei das Gewicht zuvor derart abgebildet ist, dass es verringert wird, wenn die durch die Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzte Durchflussmenge des Gases zunimmt.
System zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend eine Spülsteuerung, die eingerichtet ist, um eine Öffnungsdauer, einen Öffnungsgrad oder eine Öffnungshaltezeit des Spülventils auf der Grundlage der von der Spülmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Spülmenge einzustellen.
System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle, ferner aufweisend eine Konzentrationsschätzvorrichtung, die eingerichtet ist, um die Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der von der Spülmengen-Schätzvorrichtung geschätzten Spülmenge zu schätzen, als das System zum Schätzen der Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle unter Verwendung des Systems zum Schätzen der Spülmenge der Brennstoffzelle nach Anspruch 1.
System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Konzentrationsschätzvorrichtung eingerichtet ist, um eine Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung, der Übergangsmenge, die zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle übergegangen ist, und der geschätzten Spülmenge für jedes Gas zu schätzen.
System zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration der Brennstoffzelle nach Anspruch 9, wobei die Konzentrationsschätzvorrichtung eingerichtet ist, um die Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung zu schätzen, und wobei die Spülmengen-Schätzvorrichtung eingerichtet ist, um die durch das Spülventil abgeführte Gesamtspülmenge zu schätzen und die Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge und der durch die Konzentrationsschätzvorrichtung geschätzten Konzentration für jedes Gas zu schätzen.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle, aufweisend: Schätzen der Durchflussmenge des Gases in einer Rückführungsleitung zum Zirkulieren des Gases einschließlich Wasserstoff zu einer Anodenseite einer Brennstoffzelle durch eine Steuerung; Schätzen der Spülmenge für jedes Gas, das durch ein in der Rückführungsleitung angeordnetes Spülventil nach außen abgegeben wird, auf der Grundlage der geschätzten Durchflussmenge des Gases durch die Steuerung; und Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der geschätzten Spülmenge durch die Steuerung.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das Schätzen der Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases als erhöht umfasst, wenn der erzeugte Strom oder die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle zunimmt.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das Schätzen der Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung ein Schätzen der Durchflussmenge des Gases als erhöht umfassen, wenn sich das durchschnittliche Molekulargewicht des in der Rückführungsleitung enthaltenen Gases verringert.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas als proportional zu dem Massenverhältnis des entsprechenden Gases unter einer gesamten Spülmenge umfasst.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 15, wobei das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas durch Wiedergeben eines Gewichts auf die Masse von Stickstoff für die Spülmenge von Stickstoff unter der gesamten Spülmenge umfasst, und wobei das Gewicht zuvor derart abgebildet ist, dass es verringert wird, wenn die von der Durchflussmengen-Schätzvorrichtung geschätzte Durchflussmenge des Gases zunimmt.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 12, ferner aufweisend: vor einem Schätzen der Spülmenge für jedes Gas, Berechnen des Differenzialdrucks zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Spülventils und Schätzen einer gesamten Spülmenge, die durch das Spülventil abgegeben wird, unter Verwendung des berechneten Differenzialdrucks durch die Steuerung, wobei das Schätzen der Spülmenge für jedes Gas ein Schätzen der Spülmenge für jedes Gas unter Verwendung der geschätzten Gesamtspülmenge, der geschätzten Durchflussmenge des Gases in der Rückführungsleitung und der zuvor geschätzten Konzentration für jedes Gas in der Rückführungsleitung umfasst.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 12, wobei das Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung ein Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung auf der Grundlage der gesamten Gasmenge in der Rückführungsleitung, einer Übergangsmenge, die zwischen der Anodenseite und einer Kathodenseite der Brennstoffzelle übergegangen ist, und der geschätzten Spülmenge für jedes Gas umfasst.
Verfahren zum Schätzen einer Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffzelle nach Anspruch 12, ferner aufweisend nach einem Schätzen der Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung, Einstellen einer Öffnungsdauer, eines Öffnungsgrades oder einer Öffnungshaltezeit des Spülventils auf der Grundlage der geschätzten Wasserstoffkonzentration in der Rückführungsleitung durch die Steuerung.