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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Überwachen
des Anodenentlüftungsprozesses
eines Brennstoffzellensystems und im Spezielleren ein System und
ein Verfahren zum Überwachen
proaktiver und reaktiver Entlüftungen
eines Brennstoffzellensystems, welche umfassen, dass auf der Basis
der Anzahl von reaktiven Entlüftungen,
die als ein Ergebnis eines unerwarteten Anstiegs einer Stickstoffanreicherung
in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels, üblicherweise infolge eines
alternden Systems, stattgefunden haben, bestimmt wird, wann der
Plan für
proaktive Entlüftung geändert werden
sollte, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu optimieren.
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2. Erläuterung des Standes der Technik
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet
werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische
Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen
befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die
Kathode empfängt
Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt,
um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen
durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen re agieren
mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser
zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt
hindurch und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um
Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) sind gängige
Brennstoffzellen für
Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste, protonenleitende
Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran.
Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische
Partikel, üblicherweise
Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem
Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten
Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch,
dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine
Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig
herzustellen und benötigen
bestimmte Bedingungen für
einen effektiven Betrieb.
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Mehrere
Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert, um die erwünschte
Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel
für ein Fahrzeug
zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der
Brennstoffzellenstapel empfängt
ein Kathodeneingangs-Reaktandengas, typischerweise eine Strömung von
Luft, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird.
Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von
der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt
enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch
ein Anoden-Wasserstoffreaktandengas, das in die Anodenseite des
Stapels strömt.
Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch
die hindurch ein Kühlfluid
strömt.
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Der
Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten,
die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind,
wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten
positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite
und eine Kathodenseite für
benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind
auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen,
dass das Anodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf
der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen,
dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine
Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die
andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und
die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl
oder einem leitfähigen
Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die
Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die
bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein
Kühlfluid
strömt.
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Die
MEAs sind durchlässig
und lassen daher zu, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des
Stapels durch sie hindurch dringt und sich in der Anodenseite des
Stapels ansammelt, was in der Industrie als Stickstoff-Durchbruch
(Cross-Over) bezeichnet wird. Wenngleich der anodenseitige Druck höher sein
kann als der kathodenseitige Druck, werden die kathodenseitigen
Partialdrücke
bewirken, dass Luft durch die Membran hindurch dringt. Der Stickstoff
in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den
Wasserstoff, sodass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen
bestimmten Prozentsatz wie z. B. 50% hinaus ansteigt, der Brennstoffzellenstapel
instabil wird und versagen kann. Es ist auf dem technischen Gebiet
bekannt, ein Entlüftungsventil
an dem Anodenabgas ausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen,
um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
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Einige
Brennstoffzellensysteme verwenden eine Anodenströmungsverschiebung, bei der
der Brennstoffzellenstapel in Unterstapel aufgeteilt ist, und das
Anoden-Reaktandengas in alternierenden Richtungen durch die aufgeteilten
Unterstapel strömen
gelassen wird. In diesen Konstruktionstypen ist gelegentlich eine
Entlüftungskrümmereinheit
(BMU von Bleed Manifold Unit) zwischen den aufgeteilten Unterstapeln
vorgesehen, welche die Ventile für
die Bereitstellung der Anoden-Abgasentlüftung umfasst.
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Es
kann ein Algorithmus verwendet werden, um eine Online-Abschätzung der
Stickstoffkonzentration im Anodenabgas während eines Stapelbetriebes
vorzusehen, um zu bestimmen, wann die Anodenabgasentlüftung ausgelöst werden
soll. Der Algorithmus kann die Stickstoffkonzentration über die
Zeit in der Anodenseite des Stapels auf der Basis der Permeationsrate
von der Kathodenseite zu der Anodenseite und der periodischen Entlüftungen
des Anodenabgases verfolgen. Wenn der Algorithmus einen Anstieg
der Stickstoffkonzentration über
einen vorbestimmten Schwellenwert, z. B. 10%, berechnet, kann er
die Entlüftung
auslösen.
Diese Entlüftung,
die manchmal als proaktive Entlüftung
bezeichnet wird, wird typischerweise über eine Zeit lang ausgeführt, die
es erlaubt, mehrere Stapelanodenvolumina zu entlüften, um so die Stickstoffkonzentration
unter den Schwellenwert zu reduzieren.
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Eine
weitere Art von bekannter Entlüftung wird
als reaktive Entlüftung
bezeichnet. Bei einer reaktiven Entlüftung berechnet ein Algorithmus
die Zellenspannung und löst
eine Entlüftung
aus, wenn ein Zellenspannungs-Stapeldifferenzschwellenwert
oder -ausschlagschwellenwert überschritten
wird. Die Stapeldifferenz ist die Differenz zwischen der maximalen und
der minimalen Zellenspannung pro aufgeteiltem Unterstapel. Der Stapelausschlag
ist die absolute Differenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung
der beiden Unterstapel. Der Hauptgrund eines Zellenspannungsverlusts
ist eine Stickstoffanreicherung in dem Stapel. Somit besteht der
typische Zweck einer reaktiven Entlüftung darin, den Stickstoff zu
entlüften,
der sich in der Anodenseite des Stapels angesammelt hat, um die
minimale Zellenspannung zu verbessern und die Stapelspannungsdifferenz
des aufgeteilten Stapelsystems zu reduzieren. Es sind weitere, weniger übliche Gründe für eine reaktive Entlüftung bekannt,
etwa ein Austrocknen der Membran oder zu viel Wasser in der Anode.
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Wie
auf dem technischen Gebiet gut bekannt, arbeiten Brennstoffzellenmembranen
mit einer gesteuerten relativen Feuchtigkeit (RH von Relative Humidity),
so dass der ionische Widerstand über
die Membran gering genug ist, um Protonen effektiv zu leiten. Das
Brennstoffzellensystem ist in der Lage, zu bestimmen, ob die Membran
zu trocken oder zu nass ist, indem es einen Sensor verwendet, der
den Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle bestimmt. Der Hochfrequenzwiderstand
(HFR von High Frequency Resistance) ist der Ohm'sche Widerstand der Membran, der sich
mit der Hydration der Membran ändert.
Je höher
der HFR, desto trockener ist der Stapel, und je geringer der HFR,
desto wahrscheinlicher ist es, dass zu viel Wasser in der Anode
der Grund für
die reaktive Entlüftung
ist.
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Ein
bekannter Anodenabgasentlüftungs-Steueralgorithmus
bestimmt die Dauer der Entlüftung
auf der Basis einer festen Zeit, welche die gewünschte Menge an Stickstoff
eliminieren würde. Wenn
der Brennstoffzellenstapel jedoch altert, nimmt die Zellenleistung
ab und Stickstoffentlüftungen
sind häufiger
notwendig. Daher wählen
jene Systeme, die eine feste Entlüftungsdauer verwenden, typischerweise
eine Entlüftungsdauer
für das
mittlere Lebensalter des Stapels als geeigneten Durchschnitt für die gesamte
Stapellebensdauer. Allerdings ist eine derartige Anodenentlüftungsstrategie
offensichtlich nicht effizient für
die gesamte Lebensdauer des Stapels, wo die Entlüftungsdauer typischerweise
zu lang wäre und
eine solche zu häufig
stattfinden würde,
wenn der Stapel neu ist, und zu kurz wäre und zu selten stattfinden
würde,
wenn der Stapel am Ende seiner Lebensdauer angekommen ist. Wenn
die Entlüftung zu
lange dauert, arbeitet das System ineffizient, da eine beträchtliche
Menge Wasserstoff aus dem Anodenabgas ausgestoßen wird. Wenn die Entlüftung zu kurz
ist, beginnt die Brennstoffzelle zusammenzufallen, was eine Anodenentlüftung auslöst, die
normalerweise nicht notwendig sein mag. Die Entlüftungsdauer wird typischerweise
für verschiedene
Stromdichtebereiche des Stapels bestimmt, wobei es sich jedoch um
feste Werte über
die gesamte Lebensdauer des Stapels handelt. Da die Tabelle der
Entlüftungsauslösunen statisch
ist, ist die Kalibrierung zugunsten der Zellenstabilität vorgespannt,
um den Zellenabbau zu berücksichtigen.
Somit wird Wasserstoff unter Verwendung einer festen Tabelle geopfert,
um die Zellenstabilität über die
Lebensdauer des Stapels aufrechtzuerhalten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein
Verfahren zum Überwachen
von Anoden-Entlüftungsauslöseereignissen
und zum Bestimmen, wann ein Plan für proaktive Entlüftung in
einem Brennstoffzellensystem angepasst werden muss, offenbart. Das
System verwendet einen Entlüftungsauslöseüberwachungsalgorithmus
zum Überwachen
von proaktiven Entlüftungen
und reaktiven Entlüftungen,
der bestimmt, ob die reaktiven Entlüftungen durch übermäßig viel Stickstoff
in der Anode verursacht sind. Der Algorithmus überwacht die Anzahl von reaktiven
Entlüftungen,
welche durch eine Stickstoffan sammlung in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
verursacht sind, und ändert
den Plan für
proaktive Entlüftung
in Ansprechen darauf, falls erforderlich.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für ein Entlüftungsauslöseüberwachungssystem zeigt;
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3 ist
ein Flussdiagramm des Entlüftungsauslöseüberwachungssystems
in größerem Detail;
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4 ist
ein Flussdiagramm, das Berechnungen für das Entlüftungsauslöseüberwachungssystem der 2 und 3 zeigt;
und
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5 ist
ein Flussdiagramm einer Basistabellenmodifiziererfunktion mit offenem
Regelkreis.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsformen
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Die
nachfolgende Erläuterung
der Ausführungsformen
der Erfindung, die ein System und ein Verfahren zum Überwachen
der Entlüftungsereignisse zum
Entlüften
der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem
vorsieht, ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre
Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10,
welches aufgeteilte Brennstoffzellenunterstapel 12 und 14 umfasst,
die unter einer Anodenströmungsverschiebung
arbeiten. Wenn die Strömung
in einer Richtung erfolgt, spritzt eine Injektorbank 16 auf
einer Anodeneingangsleitung 24 frischen Wasserstoff in
die Anodenseite des Unterstapels 12 ein. Das Anodengas,
das von dem Unterstapel 12 ausgegeben wird, wird auf einer
Verbindungsleitung 20 zu dem Unterstapel 14 geschickt. Wenn
die Strömung
in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, spritzt eine Injektorbank 18 auf
einer Anodeneingangsleitung 26 frischen Wasserstoff in
die Anodenseite des Unterstapels 14 ein, der von dem Unterstapel 14 ausgegeben
wird und auf der Leitung 20 zu dem Unterstapel 12 geschickt
wird. Ein Ablassventil 22 ist in der Leitung 20 vorgesehen
und kann für
eine mittlere Entlüftung
verwendet werden. Ein Hochfrequenzwiderstandssensor 44 misst
den Ohm'schen Widerstand
der Membranen und ist in dem Ablassventil 22 untergebracht.
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Eine
BMU 30 ist an einem Anodeneingang zu den aufgeteilten Unterstapeln 12 und 14 vorgesehen
und stellt eine Anodenabgasentlüftung
während bestimmter
Zeiten bereit, um Stickstoff von der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14 auf
der Basis eines beliebigen geeigneten Entlüftungsplanes zu entfernen.
Die BMU 30 umfasst eine Leitung 32, welche die
Anodeneingangsleitungen 24 und 26 verbindet, und
eine Abgasleitung 34, welche die Leitung 32 mit dem
Abgas des Systems 10, typischerweise dem kathodenseitigen
Abgas der Unterstapel 12 und 14, verbindet. Ein
erstes Entlüftungsventil 36 ist
in der Leitung 32 nahe dem Unterstapel 14 vorgesehen.
Ein Abgasventil 40 ist in der Leitung 34 vorgesehen,
welches während
der Anodenentlüftung
und zu anderen Zeiten, wie erforderlich, geöffnet wird. Ein Controller 48 steuert
die Injektorbänke 16 und 18 und
die Ventile 36, 38 und 40 und überwacht
den Hochfrequenzwiderstandssensor 44 und eine Entlüftungsauslöseüberwachung 46,
wie unten erläutert.
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Wenn
das System 10 unter einer Anodenströmungsverschiebung arbeitet
und keine Entlüftung
befohlen ist, sind beide Entlüftungsventile 36 und 38 geschlossen,
sodass, abhängig
von der Richtung der Anodengasströmung, der Ausgang des zweiten
Unterstapels eine Sackgasse bildet. Wenn eine Entlüftung befohlen
ist und die Strömungsverschiebung
in der Richtung von dem Unterstapel 12 zu dem Unterstapel 14 über die
Leitung 20 erfolgt, wird das Entlüftungsventil 38 geöffnet und
das Entlüftungsventil 36 wird
geschlossen. Ebenso wird, wenn eine Entlüftung befohlen ist und die
Strömung
in der Richtung von dem Unterstapel 14 zu dem Unterstapel 12 über die
Leitung 20 erfolgt, das erste Entlüftungsventil 36 geöffnet und
das zweite Entlüftungsventil 38 geschlossen.
Somit wird das Anodenabgas aus der Abgasleitung 34 durch
das Auslassventil 40 hindurch entlüftet.
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Die
vorliegende Erfindung offenbart einen Entlüftungsüberwachungsalgorithmus zum
Steuern der Entlüftungsereignisse
für die
Unterstapel 12 und 14. Proaktive Entlüftungen
zeigen an, dass das System 10 korrekt funktionieren kann,
und reaktive Entlüftungen
zeigen an, dass das System 10 eine Zelleninstabilität erfahren
kann und versuchen kann, sich von einer niedrigen Zellenspannung
zu erholen, bevor ein schneller Stopp erforderlich ist, um das System
zu schützen.
Aus diesem Grund wird der Entlüftungsauslöseüberwachungsalgorithmus
verwendet, um zu bestimmen, wie viele reaktive Entlüftungen
stattfinden und mit welcher Rate, und welche reaktiven Entlüftungen
infolge einer Abreicherung auf Stick stoffbasis stattfinden, und
welche reaktiven Entlüftungen
anderweitig begründet
sind, wie z. B. durch übermäßig viel
Wasser in der Anode oder Austrocknen der Membran. Wenn der Entlüftungsüberwachungsalgorithmus
bestimmt, dass die reaktiven Entlüftungen zu oft stickstoffbasiert
sind, kann das System die proaktive Auslösung ändern, um die Anzahl von reaktiven
Entlüftungen
zu reduzieren, die erforderlich sind, um das System zu schützen, indem
die Frequenz und/oder die Dauer der proaktiven Entlüftungen
erhöht
wird. Alternativ könnten
andere Systemänderungen
vorgenommen werden, um die Systemeffizienz und -stabilität zu optimieren.
Das Überwachungssystem
könnte
auch andere Eingänge
wie z. B. Ablassereignisse, Zellenspannungen, die Stelle einer schwachen
Zelle oder den Hochfrequenzwiderstand gleichzeitig mit den Auslösungen reaktiver
Entlüftungen überwachen,
um zu bestimmen, wann Änderungen
an Basistabellenkalibrierungen des Brennstoffzellensystems vorzunehmen
sind.
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Durch Überwachen
der Auslösungen
einer Entlüftung,
insbesondere der Auslösungen
reaktiver Entlüftung
ist das Brennstoffzellensystem 10 in der Lage zu bestimmen,
ob diese reaktiven Entlüftungen erfolgreich
sind oder nicht, und was die Auslösungen reaktiver Entlüftung verursacht
hat. Das Brennstoffzellensystem 10 kann dann diese Information
beurteilen und den Plan für
proaktive Entlüftung
wie erforderlich anpassen, um die Entlüftungseffizienz und die Zellenstabilität über die
Lebensdauer der Unterstapel 12 und 14 zu optimieren.
Dies wird den Verlust von weniger Wasserstoff und eine erhöhte Leistung
und -stabilität
am Ende der Lebensdauer der Zelle zur Folge haben und System- oder
Hardwarevariationen berücksichtigen.
Zusätzliche
Vorteile umfassen diagnostische Information, die die Überwachung
bereitstellt, wie z. B. einen vorzeitigen Hardwareabbau oder ein übermäßiges Zellenfluten
oder Austrocknen der Membran.
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2 ist
ein Flussdiagramm 50, das ein Verfahren für einen
Auslösealgorithmus
für proaktive und
reaktive Entlüftung
zeigt, der in der Entlüftungsauslöseüberwachung 46 in
der oben erläuterten
Weise arbeitet. Ein Stickstoffmodell bei Feld 52 bestimmt die
Stickstoffkonzentration in der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14.
Alternativ könnte
ein Anodenwasserstoffkonzentrationsmodell verwendet werden, wie
einem Fachmann bekannt. Der Algorithmus überwacht die Stickstoffkonzentration
in der Anode und bestimmt bei der Entscheidungsraute 58,
wann der prozentuelle Anteil an Stickstoff einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Der Schwellenwert an der Entscheidungsraute 58 ist durch
einen Basistabellenmodifizierer 102 festgelegt. Der Basistabellenmodifizierer 102 wird
in Ansprechen auf übermäßig viele
reaktive Anodenentlüftungen
durch ein Tabellenmodifiziererfeld 100 geändert, wie
nachfolgend im Detail erläutert.
Der Schwellenwert ändert sich
für verschiedene
Stapelstromdichten bei dem Feld 54, wie auf ein Prozent-Stickstoffschwellenwert-Basistabellenfeld 56 angewendet.
Wenn daher der Schwellenwert bewirkt, dass ein Plan für proaktive
Entlüftung
in einem bestimmten Intervall für
eine bestimmte Stapelstromdichte auf der Basis des Stickstoffmodells
stattfindet und dass das Intervall dazu führt, dass reaktive Entlüftungen
infolge einer Stickstoffansammlung zu oft stattfinden, erkennt der Algorithmus,
dass der Plan für
proaktive Entlüftung nicht
zufriedenstellend ist und passt den Schwellenwert entsprechend an.
Es können
verschiedene Systemparameter für
die Änderung
der Stickstoffansammlung in den Unterstapeln 12 und 14 verantwortlich
sein. Somit wird, wenn die Unterstapel 12 und 14 altern,
der Plan für
proaktive Entlüftung
für die Änderungen
der Stapelparameter angepasst.
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Wenn
der prozentuelle Anteil von Stickstoff den Schwellenwert an der
Entscheidungsraute 58 überschreitet,
wird eine Auslösung
proaktiver Entlüftung
bei Feld 60 eingeleitet. Sobald die Auslösung proaktiver
Entlüf tung
eingeleitet ist, muss der Algorithmus bei Feld 62 sicherstellen,
dass die Parameter mit verschiedener Logik richtig orientiert sind,
sodass das System 10 das Entlüftungsventil 36 oder 38 korrekt öffnen kann,
wie von der Auslösung
proaktiver Entlüftung
angefordert. Beispiele einer geeigneten Logik umfassen, sind jedoch
nicht beschränkt
auf Guard-Rails, eine transiente Detektion, ein Ablassereignis und
eine hohe Wasserstoffkonzentration im Abgas. Eine ähnliche
Logik wird für
einen Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein. Wenn die Logik korrekt
orientiert ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 64,
ob alle Bedingungen in Ordnung sind, und, wenn ja, wird das Entlüftungsventil 36 oder 38 bei
einem Hardware-Entlüftungsauslösefeld 66 geöffnet. Wenn
die Logik bei der Entscheidungsraute 64 nicht korrekt orientiert
ist, muss der Algorithmus warten, bis die Logik bei dem Feld 62 korrekt
orientiert ist, um zu bestimmen, wann alle der Bedingungen in Ordnung
sind und das Entlüftungsventil 36 oder 38 geöffnet werden
kann.
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Eine
Entscheidungsraute 68 bestimmt, ob auch die Länge der
Entlüftungsdauer
erfüllt
wurde, und, wenn ja, wird die Entlüftung bei Feld 70 gestoppt.
Nach Entfernen der Auslösung
proaktiver Entlüftung
bei dem Feld 70 wird das Stickstoffmodell bei Feld 52 auf
null oder einen anderen Basiswert zurückgesetzt und der Algorithmus überwacht
wiederum die Anodenstickstoffkonzentration. Wenn der Algorithmus
bei der Entscheidungsraute 68 bestimmt, dass die Entlüftungslänge nicht
erfüllt
wurde, bleibt die Auslösung
proaktiver Entlüftung
bei dem Feld 60 offen.
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Der
Hochwert-Entlüftungsauslösealgorithmus
sieht auch reaktive Entlüftungen
vor. Der Algorithmus überwacht
die Zellenspannung mithilfe einer Überwachung/Abschätzeinrichtung
bei Feld 74. Wenn bei Feld 76 eine niedrige Zellenspannung
detektiert wird, bestimmt eine Entscheidungsraute 78, ob
die Zellenspannung zu niedrig ist, und somit eine Hilfsmaß nahme erfordert.
Wenn die Zellenspannung zu niedrig ist, wird eine Auslösung reaktiver
Entlüftung
bei Feld 80 angefordert. Bevor das Entlüftungsventil 36 oder 38 geöffnet werden
kann, muss der Algorithmus zuerst bestimmen, ob die Systemlogik
bei dem Feld 62 korrekt orientiert ist, sodass er zulassen wird,
dass das Entlüftungsventil 36 oder 38 zu
der erforderlichen Zeit öffnet.
Wenn der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 64 bestimmt,
dass die Logik korrekt orientiert ist und alle Bedingungen in Ordnung sind,
lassen die Auslösungen
einer Hardware-Entlüftung
bei dem Feld 66 zu, dass das Entlüftungsventil 36 oder 38 öffnet und
die reaktive Entlüftung
stattfindet. Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Logik nicht
korrekt orientiert ist, muss der Algorithmus warten, dass die Logik
bei dem Feld 62 bestimmt, wann alle Bedingungen in Ordnung
sind und das Entlüftungsventil öffnen kann.
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Eine
Entscheidungsraute 82 bestimmt, ob sich die Zellenspannung
erholt hat. Wenn die Zellenspannung sich erholt hat, setzt der Algorithmus
fort, die Zellenspannung mithilfe der Zellenspannungsüberwachung/Abschätzeinrichtung
bei dem Feld 74 zu überwachen.
Wenn sich die Zellenspannung nicht erholt hat, wird eine zweite
reaktive Entlüftungsstrategie
bei Feld 84 eingesetzt. In bestimmten Systemen kann eine
Entlüftungsstrategie
auf einem zweiten Niveau unter Umständen nicht vorhanden sein und stattdessen
wird das System einfach die Auslösung reaktiver
Entlüftung
bei dem Feld 80 wiederholen oder in ein schnelles Ausschalten
eintreten.
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Die
Entlüftungen
werden von einer Entlüftungsauslöseüberwachung
bei dem Feld 86 überwacht.
Die Entlüftungsauslöseüberwachung
verfolgt die Anzahl von proaktiven Entlüftungen und reaktiven Entlüftungen,
und ob die reaktiven Entlüftungen
erfolgreich sind bei Feld 88. Die Entlüftungsauslöseüberwachung überwacht bei dem Feld 86 auch
verschiedene Systemeingänge
und Informationen bei den Feld 90–98. Einige der Informa tionen,
welche die Entlüftungsauslöseüberwachung
verfolgen kann, umfassen proaktive Entlüftungen bei Feld 90,
die abgeschätzte
Stelle der Zelle, die eine minimale Zellenspannung erfährt, bei
Feld 92, den Hochfrequenzwiderstand (HFR) bei Feld 94,
Niveauanzeiger-Auslassereignisse bei Feld 96 und die Stapelstromdichte
bei Feld 98. Diese Eingänge,
entweder einzeln oder in Kombination, geben an, ob das Entlüftungsereignis durch
die Ansammlung von Stickstoff in der Anode oder aus einem anderen
Grund wie z. B. eine Wasseranreicherung in der Anode oder übermäßiges Trocknen
der Membran verursacht wurde. Auf der Basis dieser Eingänge bestimmt
die Entlüftungsauslöseüberwachung
bei dem Feld 86, ob ein Tabellenmodifizierer bei dem Feld 100 aktiviert
werden soll. Die Entlüftungsauslöseüberwachung
bei dem Feld 86 aktiviert die Tabellenüberwachung bei dem Feld 100,
wenn die Eingänge,
die sie von den Feld 90–98 empfängt, anzeigen,
dass der aktuelle Plan für
proaktive Entlüftung
nicht geeignet ist, um Stickstoff ausreichend schnell von den Unterstapeln 12 und 14 zu entfernen,
um eine wünschenswerte
Stapelstabilität aufrechtzuerhalten.
Daher kann der Plan für
proaktive Entlüftung
durch Betreuen der verschiedenen Parameter des Systems angepasst
werden und die reaktive Entlüftung
kann reduziert werden, sodass das System in einer optimierten Weise
arbeitet. Daher wird für
einen besseren Systembetrieb ein Basistabellenmodifizierer bei dem
Feld 102 geändert
und es wird ein neuer Stickstoffschwellenwert an der Entscheidungsraute 58 festgelegt.
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3 ist
ein Flussdiagramm 108, welches einen detaillierteren Betrieb
des Betriebes des Entlüftungsauslöseüberwachungssystems
zeigt. Die Eingänge
der Entlüftungsauslöseüberwachung
umfassen eine Auslösung
reaktiver Entlüftung
bei Feld 110, ob die reaktive Entlüftung erfolgreich war bei Feld 112,
eine Auslösung
proaktiver Entlüftung
bei Feld 114, eine Abschätzung der Stelle der Zelle
mit einer minimalen Spannung bei Feld 116, die HFR bei
Feld 118, eine Niveauanzeige und Ablassereignisse bei Feld 120 und
die Stapelstromdichte bei Feld 122. Weitere Eingänge umfassen
die Anzahl von Entlüftungsereignissen
an dem Kreis 124 und die Anzahl von Ereignissen von reaktiver
Entlüftung
an dem Kreis 126. Wenn eine Entlüftungsauslöseüberwachung bei Feld 130 bestimmt,
ob ein Tabellenmodifizierer bei Feld 140 aktiviert ist,
führt die
Entlüftungsauslöseüberwachung
logische Operationen aus. Zum Beispiel, wenn alle reaktiven Entlüftungen überwacht
werden, wenn die Entlüftungsauslöseüberwachungslogik
bestimmt, dass der Hochfrequenzwiderstand bei dem Feld 118 größer als
ein Wert X während
einer reaktiven Entlüftung
bei der Entscheidungsraute 132 ist und die Stelle der Zelle
mit minimaler Spannung bei dem Feld 116 größer ist
als eine Y-Wert-Zellennummer bei der Entscheidungsraute 134,
und wenn die reaktive Entlüftung
die Zellenstabilität
vor einem harten Zeitlimit T bei Feld 136 zurückgewinnt,
wird bestimmt, dass die reaktive Entlüftung stickstoffbasiert ist
und als solche von der Entlüftungsauslöseüberwachung
bei dem Feld 130 überwacht
wird.
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Im
Wesentlichen verfolgt die Entlüftungsauslöseüberwachung
bei dem Feld
130 Verhältnisse
wie z. B.:
wobei PB die Anzahl von proaktiven
Entlüftungen
ist, RB
Total die Gesamtzahl von reaktiven
Entlüftungen
ist und RB
N2 die Anzahl von reaktiven Stickstoffentlüftungen
ist.
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Wenn
diese Verhältnisse über vorbestimmte Schwellenwerte
bei den Entscheidungsrauten 132 oder 134 schreiten,
wird die Entlüftungsauslöseüberwachung
bei dem Feld 132 entweder fortsetzen, die Verhältnisse
zu überwachen,
oder den Tabellenmodifizierer bei dem Feld 140 aktivieren.
Sobald der Tabellenmodifizierer aktiviert ist, wird die Entlüftungsauslöseüberwachung 130 bei
Feld 142 zurückgesetzt.
Somit beginnt die Überwachung,
Entlüftungsereignisse
von null an zu zählen,
nachdem eine Änderung
in der Häufigkeit
der proaktiven Entlüftungen ausgeführt wurde.
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4 ist
ein Flussdiagramm 148, welches genauere Details der Berechnungen
des oben beschriebenen Entlüftungsauslöseüberwachungssystems
zeigen. Eingangsfeld 150 stellen die oben erläuterten
Eingänge
bereit, die in Entlüftungsereignisräumen bei
Feld 152 gespeichert sind, was eine Tabelle im RAM ergibt,
während
der Controller 48 arbeitet. Nach dem Abschalten des Controllers
wird die Tabelle in NVM-Lokationen zum Abruf beim nächsten Systembetrieb
geschrieben. Ein Verhältnis
von reaktiven Entlüftungen
gegenüber
proaktiven Entlüftungen
wird für
einen Stichprobenumfang bei Feld 154 berechnet, und ein
Verhältnis
von stickstoffbasierten reaktiven Entlüftungen gegenüber proaktiven
Entlüftungen
wird bei Feld 156 berechnet. Die beiden Berechnungen werden
in den Entlüftungsereignisräumen bei
dem Feld 152 gespeichert. Wenn eines dieser Verhältnisse
einen entsprechenden Schwellenwert überschreitet, wird bei Feld 158 ein
Flag gesetzt und es wird entschieden, ob Betriebsparameter geändert werden
müssen
oder nicht. Überdies,
wenn eine reaktive Auslösung
auftritt, bestimmt der Algorithmus, ob der HFR größer als
X während
der reaktiven Entlüftung
ist, und ob die Zelle mit der minimalen Zellspannung eine niedrigere
als eine Y-Zellennummer, jedoch eine höhere als eine Z-Zellennummer
ist, und ob die reaktive Entlüftung
die Stabilität vor
dem harten Zeitlimit T bei Feld 160 zurückgewinnt, ist die reaktive
Entlüf tung
stickstoffbasiert und wird als solche in dem Entlüftungsereignisraum
bei Feld 152 gespeichert.
-
5 ist
ein Flussdiagramm 162 einer Basistabellenmodifiziererfunktion
mit offenem Regelkreis, wobei eine Nachschlagetabelle verwendet
wird, um die Stickstoffauslösung
auf der Basis der Stromdichte und des Stapellebensalters anzupassen.
Somit wird, wenn ein Tabellenmodifizierer bei Feld 174 aktiviert wird,
der Controller 48 die Stromdichte des Brennstoffzellenstapels
bei Feld 164 bestimmen und sie mit der stickstoffschwellenwertbasierten
Tabelle bei Feld 166 vergleichen. Der Controller 48 wird
auch die Stapelstunden des Brennstoffzellensystems bei Feld 168 bestimmen.
Diese Information wird in einen Basistabellenmodifizierer mit offenem
Regelkreis bei Feld 170 eingegeben, wo es eine Verstärkung erhält. Der
modifizierte prozentuelle Anteil von Anodenstickstoff, welcher der
neue Schwellenwert sein soll, wird auf der Basis dieser Verstärkung bestimmt.
Somit wird dieser neue Schwellenwert bei Feld 172 in das Basistabellenmodifiziererfeld 104 des
Flussdiagramms 50 eingegeben. Dies ändert die Auslösung proaktiver
Entlüftung,
wie erforderlich, um sicherzustellen, dass das Brennstoffzellensystem
effizient läuft.
Auf diese Weise wird die Menge an vergeudetem Wasserstoff reduziert,
da das System in der Lage ist, sich an sich verändernde Bedingungen zu adaptieren,
anstatt gezwungen zu werden, bei einer bestimmten, konservativen,
festen Rate proaktiv entlüftet
zu werden.
-
Die
vorhergehende Erläuterung
offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung
und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen,
dass verschiedene Änderungen,
Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne
von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den nach folgenden
Ansprüchen
definiert sind, abzuweichen.
-
zu 2
- 52
- Stickstoffmodell
- 54
- Stromdichte
- 56
- %N2-Schwellenwert-Basistabelle
- 58
- N2 > Tabellen-Schwellenwert?
- 60
- Auslösung proaktiver
Entlüftung
- 62
- Andere
Logik
Guard Rails, Transiente Detektion, Ablassereignis, Hohe
Abgaskonz., etc.
- 64
- Alle
Bedingungen OK?
- 66
- Auslösung einer
Hardware-Entlüftung
- 68
- Entlüftungslänge > Tau-Schwellenwert
- 70
- Entferne
Auslösung
proaktiver Entlüftung
- 74
- Zellenspannungsüberwachung/Abschätzeinrichtung
- 76
- Niedrige
Zellenspannung detektiert
- 78
- Zellenspannung
zu niedrig?
- 80*
- Auslösung proaktiver
Entlüftung
- 80**
- Auslösung reaktiver
Entlüftung
- 82*
- Schätze Min.
Zellenstelle ab
- 82**
- Zellenspannung
erholt?
- 84*
- HFR
- 84**
- Strategie
für reaktive
Entlüftung
- 86*
- Niveauanzeiger-Ablassereignisse
- 86**
- Entlüftungsauslöseüberwachung
- 88*
- Stromdichte
- 88**
- Reaktive
Entlüftung
erfolgreich?
- 100
- Aktiviere
Tabellenmodifizierer
- 102
- Basistabellenmodifizierer