DE102011013566A1

DE102011013566A1 - Adaptive method for conversion of external power request to current setpoint to a fuel cell system based on stack performance

Info

Publication number: DE102011013566A1
Application number: DE102011013566A
Authority: DE
Inventors: Sriram Ganapathy; Kiran Mallavarapu; Stefan W. Lixfeld; Manish Sinha
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2011-10-27
Also published as: US9105892B2; US20110223505A1; CN102195052B; CN102195052A

Abstract

Ein System und Verfahren zum Umwandeln eines Brennstoffzellenstapel- Leistungsforderungssignals in einen Stapelstrom-Sollwert, der Stapelleistungsparameter berücksichtigt. Das Verfahren umfasst das Erhalten einer Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom des Brennstoffzellenstapels, um Stapelparameter, einschließlich Austauschstromdichte und Stoffübergangskoeffizient, vorzusehen. Dann berechnet das Verfahren eine Steigung für den Stapel unter Verwenden der Parameter aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom, was das Berechnen einer Zellenspannung bei zwei vorbestimmten Stapel-Stromdichten umfasst. Dann berechnet das Verfahren als Reaktion auf das Leistungsforderungssignal, die elektrische Spannung des Stapels, den elektrischen Strom des Stapels und die berechnete Steigung eine Änderung des elektrischen Stroms und nutzt die Änderung des elektrischen Stroms, um den Stromsollwert für den Stapel zu aktualisieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zum Umwandeln eines Leistungsforderungssignals für einen Brennstoffzellenstapel in einen Stromsollwert für den Stapel und insbesondere ein System und Verfahren zum Umwandeln eines Leistungsforderungssignals für einen Brennstoffzellenstapel in einen Stromsollwert für den Stapel, der Stapelleistung berücksichtigt.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode gespalten, um freie Wasserstoffprotonen und -elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen treten durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten treten und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoff partikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus katalytischer Mischung der Anode, katalytischer Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly). MEA sind relativ teuer in der Fertigung und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
Typischerweise sind mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine von einem Verdichter durch den Stapel gedrückte Luftströmung. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verzehrt, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEA in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEA zwischen den zwei Endplatten positioniert sind.
Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen, die das Anodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengas-Strömungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, beispielsweise Edelstahl oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Das Stapelsteuergerät muss die Beziehung von elektrischem Strom/elektrischer Spannung des Brennstoffzellenstapels, die als Polarisationskurve bezeichnet wird, kennen, um Stapelreaktantströmungen gemäß Leistungsforderungen festzusetzen. Die Beziehung zwischen der elektrischen Spannung und dem elektrischen Strom des Stapels ist typischerweise schwer zu definieren, da sie nicht linear ist und sich abhängig von vielen Variablen, einschließlich Stapeltemperatur, Stapelpartialdrücken und Kathoden- sowie Anodenstöchiometrien, ändert. Ferner ändert sich die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der elektrischen Spannung des Stapels, wenn der Stapel im Laufe der Zeit degradiert. Insbesondere ein älterer Stapel hat niedrigere elektrische Zellenspannungen und muss mehr elektrischen Strom bereitstellen, um die Leistungsforderungen zu erfüllen, als ein neuer, nicht degradierter Stapel.
Wenn das Stapelsteuergerät von dem Fahrer des Fahrzeugs ein Leistungsforderungssignal erhält, erzeugt ein Steueralgorithmus einen Stromsollwert für den Brennstoffzellenstapel. Bei bekannten Systemen beruht dieser Stromsollwert auf der Polarisationskurve, wobei angenommen wird, dass die Polarisationskurve linear ist. Typischerweise wird für den Brennstoffzellenstapel nur eine einzige Polarisationskurve verwendet, und diese Polarisationskurve ist eine Kurve, die für den Beginn der Lebensdauer (BOL, kurz vom engl. Beginning of Life) des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird. Mit Alterung des Stapels kommt es aber zu Degradation der elektrischen Spannung in dem Stapel, wobei eine höhere Stapelspannung für einen höheren Stapelstrom erforderlich ist. Somit erfordert eine Zunahme der Leistungsforderung einen höheren Stromsollwert. Externe Störungen des Systems bewirken ferner Schwankungen der elektrischen Spannung an dem Stapel, die sich als Schwankungen des Stromsollwertsignals äußern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und Verfahren zum Umwandeln eines Brennstoffzellenstapel-Leistungsforderungssignals in einen Stapelstrom-Sollwert, der Stapelleistungsparameter berücksichtigt, offenbart. Das Verfahren umfasst das Erhalten einer Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom des Brennstoffzellenstapels, um Stapelparameter, einschließlich Austauschstromdichte und Stoffübergangskoeffizient, vorzusehen. Dann berechnet das Verfahren eine Steigung für den Stapel unter Verwenden der Parameter aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom, was das Berechnen einer Zellenspannung bei zwei vorbestimmten Stapel-Stromdichten umfasst. Dann berechnet das Verfahren als Reaktion auf das Leistungsforderungssignal, die elektrische Spannung des Stapels, den elektrischen Strom des Stapels und die berechnete Steigung eine Änderung des elektrischen Stroms und nutzt die Änderung des elektrischen Stroms, um den Stromsollwert für den Stapel zu aktualisieren.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Graph mit Stapelstrom an der waagerechten Achse und Stapelleistung an der senkrechten Achse, der eine Polarisationskurve für einen Brennstoffzellenstapel bei Beginn der Lebensdauer des Stapels und eine Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom für einen Brennstoffzellenstapel am Ende der Stapellebensdauer zeigt;
2 ist ein Graph mit Zeit an der waagerechten Achse und Stapelspannung und -strom an der senkrechten Achse, der Schwankungen der elektrischen Spannung des Stapels und des elektrischen Stroms des Stapels zeigt;
3 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Algorithmus zur Umwandlung von Leistung in elektrischen Strom einsetzt;
4 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Erzeugen eines Sollwerts des Stapelstroms für ein Stapelleistungsforderungssignal zeigt; und
5 ist ein Graph mit Stapelstrom an der waagerechten Achse und Stapelspannung an der senkrechten Achse, der Kurven der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom zum Berechnen von Steigung beruhend auf Stapellebensdauer zeigt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG der AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zum Ermitteln eines Stromsollwerts für einen Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, der Stapelleistungsparameter berücksichtigt, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Nutzungsmöglichkeiten beschränken.
1 ist ein Graph mit Stapelstrom an der waagerechten Achse und Stapelleistung an der senkrechten Achse. Es werden eine Kurve 10 der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom für einen typischen Brennstoffzellenstapel zu Beginn der Lebensdauer des Stapels und eine Kurve 12 der typischen Beziehung von Leistung/elektrischem Strom für einen Brennstoffzellenstapel am Ende der Lebensdauer des Stapels gezeigt. Wie hervorgeht, ist die Kurve 10 nahezu linear, wobei bei Ansteigen der geforderten Leistung eine Zunahme des Stromsollwerts für den Brennstoffzellenstapel ebenfalls ansteigen würde. Wie aber dargestellt würde eine typische Leistungsforderung (Strichlinie) zu einem in etwa niedrigeren Stromsollwert für den Stapel zu Beginn seiner Lebensdauer und einem höheren Stromsollwert für den Stapel am Ende seiner Lebensdauer aufgrund von Verlust elektrischer Spannung führen.
2 ist ein Graph mit Zeit an der waagerechten Achse und Stapelspannung und Stapelstrom an der senkrechten Achse. Die Graphenlinie 14 stellt die elektrische Spannung des Stapels über einen gewissen Zeitraum dar, was zeigt, dass an der elektrischen Spannung infolge vieler Faktoren externe Schwankungen auftreten. Diese elektrischen Spannungen äußern sich in einem Stapelstrom an Linie 16, der Schwankungen aufweist, was eine durch Linie 18 dargestellte direkte Stapelstrom-Sollwertschwankung vorsieht.
Wie nachstehend näher erläutert wird, schlägt die vorliegende Erfindung einen Algorithmus vor, der eine Prozess zum Erzeugen eines genaueren Stromsollwerts für einen Brennstoffzellenstapel beruhend auf einem Leistungsforderungssignal über der gesamten Lebensdauer des Stapels vor, der die Schwankungen des Stromsollwerts entfernt, die infolge von Schwankungen der externen elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstapels auftreten können.
3 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 20, das einen Brennstoffzellenstapel 22 umfasst. Systemparameter werden in Feld 24 gespeichert, einschließlich Werte θ₁ und θ₂, die nachstehend definiert werden. Die Systemparameter werden einem Prozessor 26 für Umwandlung von Leistung in elektrischen, Strom geliefert, der auch ein Stapelleistungsforderungssignal P Stck / Req erhält. Der Prozessor 26 für Umwandlung von Leistung in elektrischen Strom wandelt das Leistungsforderungssignal P Stck / Req in ein Stromforderungssignal I Stck / Req unter Verwenden der Werte θ₁ und θ₂ um, wobei das Stromforderungssignal I Stck / Req der Stromsollwert für den Brennstoffzellenstapel 22 ist, wie nachstehend näher erläutert wird. Das Stromsollwertsignal I Stck / Req , das an dem Brennstoffzellenstapel 22 angelegt wird, erzeugt eine Stapelspannung V und einen Stapelstrom I, die zurück zu dem Prozessor 26 für Umwandlung von Leistung in elektrischen Strom geschickt werden.
4 ist ein Flussdiagramm 30, das einen in dem Prozessor 26 ausgeführten Prozess zum Erzeugen des Stromsollwertsignals I Stck / Req gemäß der Erfindung zeigt. Bei Feld 32 erhält der Algorithmus Parameter von einer Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom des Brennstoffzellenstapels 22. In einer Ausführungsform sind diese Parameter die Werte θ₁ und θ₂ und sind als Austauschstromdichte bzw. Stoffübergangskoeffizient bekannt. In der am 31. Januar 2007 eingereichten U.S.- Patentanmeldung Ser. Nr. 11/669,898 mit dem Titel Algorithm For Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack, die der Erwerberin der Anmeldung abgetreten wurde und durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, lässt sich eine ausführliche Erläuterung eines Systems und Verfahrens zum Schätzen einer Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom, einschließlich Ermitteln der Austauschstromdichte und des Stoffübergangskoeffizienten, finden.
Bei Feld 34 berechnet der Algorithmus für Umwandlung von Leistung in elektrischen Strom die Steigung R der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom für den Brennstoffzellenstapel 22 beruhend auf der Lebensdauer des Stapels 22. 5 ist ein Graph mit elektrischem Strom an der waagerechten Achse und Stapelspannung an der senkrechten Achse, der die Steigung R für den Stapel 22 beruhend auf Stapellebensdauer zeigt, wobei die Linie 40 der Beginn der Lebensdauer des Stapels 22 ist und die Linie 42 das Ende der Lebensdauer des Stapels 22 ist. Die Steigung R der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom des Stapels 22 wird unter Verwenden eines Spannungsprädiktionsalgorithmus berechnet, um die Zellenspannung E_cell bei zwei vorab festgelegten Stromdichten entlang der Linie zu berechnen, zum Beispiel bei 0,1 A/cm² und 1,0 A/cm². In einer nicht einschränkenden Ausführungsform wird die Zellenspannung E_cell berechnet als:
wobei:

E_cell: die Zellenspannung (V) ist,
j: Stapelstromdichte (A/cm²) ist,
R_HFR: Zellen-HFR-Widerstand (ohm cm²) ist,
E_rev: ein thermodynamisches reversibles Zellenpotential (V) ist,
a: die Hintergrundstromdichte aus Zellenkurzschließen/Zellen-Crossover (A/cm²) ist,
j⁰: (θ₁) die Austauschstromdichte (A/cm²) ist,
j^∞: eine einschränkende Stromdichte (A/cm²) ist und
c: (θ₂) der Stoffübergangskoeffizient ist.

Der Brennstoffzellenwiderstandswert R_HFR definiert einen Hochfrequenzwiderstand an dem Brennstoffzellenzapel, der einen Hinweis auf relative Feuchte des Stapels gibt. Der Brennstoffzellenwiderstandswert R_HFR kann ein Messwert oder ein Modellwert sein, wie dem Fachmann bekannt ist. In dem Modell kann der Brennstoffzellenwiderstandswert R_HFR als Funktion von Stapeleinlass- und Stapelauslasstemperatur und relativer Feuchte des Kathodengases, die ebenfalls eine Funktion von Einlass- und Auslasstemperatur, Druck und Durchsatz ist, berechnet werden. Daher stellt der Brennstoffzellenwiderstandswert R_HFR die Stapelbetriebsbedingungen, einschließlich Temperatur, Druck und Kathodendurchsatz, dar.
Nach dem Erhalten von zwei Zellenspannungswerten für zwei Stapelstromdichten kann die Steigung R der Linie berechnet werden. Bei Degradation von Stapelleistung über Zeit ändert sich somit die Steigung R ebenfalls, um Stapeldegradation zu berücksichtigen.
Bei Feld 36 erhält der Algorithmus das Leistungsforderungssignal P Stck / Req , die Beziehung von elektrischem Strom/elektrischer Spannung des Stapels (Polarisationskurve) und die Steigung R und berechnet eine Änderung des elektrischen Stroms des Stapels 22. Dieser Schritt umfasst das Berechnen eines Inkrements zu der Stromsollwertberechnung, der die Steigung R aus dem Feld 34, das Leistungsforderungssignal P Stck / Req die Stromforderung I_req, die Spannungsrückmeldung V_t von dem Stapel 22 und die Stromrückmeldung I_t von dem Stapel 22 bei der Zeit t nutzt, um eine Änderung des Stapelstroms ΔI bei dem nächsten Zeitschritt zu berechnen, um die Leistungsforderung zu erfüllen. In einer Ausführungsform wird die folgende Gleichung verwendet, um die Änderung des Stroms ΔI zu berechnen.
Bei Feld 38 berechnet der Algorithmus für Umwandlung von Leistung in elektrischen Strom das Stromsollwertsignal I Stck / req durch: I Stck / req = I_Req(t+1) = I_Req(t) + ΔI
Der Algorithmus für Umwandlung von Leistung in elektrischen Strom aktualisiert bei dem Feld 36 ständig das Stromsollwertsignal I Stck / req bei einer schnelleren Rate als die Berechnung der Steigung R des Stapels 22 beruhend auf Schätzungen der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom über Zeit.
Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Darlegung und anhand der Begleitzeichnungen und Ansprüche mühelos erkennen, dass daran verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Ermitteln eines Stromsollwerts für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst: Schätzen einer Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom des Brennstoffzellenstapels; Liefern von Parametern aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom; Berechnen einer Steigung für den Stapel unter Verwenden der Parameter aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom; Berechnen einer Änderung des elektrischen Stroms als Reaktion auf ein Leistungsforderungssignal, Stapelspannung, Stapelstrom und der berechneten Steigung; und Erzeugen des Stromsollwerts beruhend auf der Änderung von elektrischem Strom.
Verfahren nach Anspruch 1. wobei das Vorsehen von Parametern aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom das Erhalten einer Austauschstromdichte und eines Stoffübergangskoeffizienten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2. wobei das Berechnen einer Steigung für den Stapel das Berechnen einer Zellenspannung bei zwei vorbestimmten Stapelstromdichten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3. wobei das Berechnen der Zellenspannung die folgende Gleichung verwendet:
wobei E_cell die Zellenspannung (V) ist, j Stromdichte (A/cm²) ist, R_HFR HRF-Zellenwiderstand (ohm cm²) ist, E_rev thermodynamisches reversibles Zellenpotential (V) ist, a Hintergrundstromdichte aus Zellenkurzschließen/Zellen-Crossover (A/cm²) ist, j⁰ Austauschstromdichte (A/cm²) ist, j^∞ die einschränkende Stromdichte (A/cm²) ist und c der Stoffübergangskoeffizient ist.
Verfahren nach Anspruch 3. wobei die vorbestimmten Stromdichten 0,1 A/cm² und 1,0 A/cm² betragen.
Verfahren nach Anspruch 1. wobei das Berechnen einer Änderung des elektrischen Stroms das Verwenden folgenden Gleichung umfasst:
wobei ΔI die Änderung des elektrischen Stroms ist, V_t die Stapelspannung ist, I_(t) der Stapelstrom ist, R die Steigung ist und P_Req das Leistungsforderungssignal ist.
Verfahren nach Anspruch 1. wobei das Erzeugen des Stromsollwerts die folgende Gleichung verwendet: I Stck / req = I_Req(t+1) = I_Req(t) + ∆I wobei I Stck / req der Stromsollwert ist, I_Req ein vorheriger Stromsollwert ist und ΔI die Änderung des elektrischen Stroms ist.
System zum Ermitteln eines Stromsollwerts für einen Brennstoffzellenstapel, wobei das System umfasst: Mittel zum Schätzen einer Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom des Brennstoffzellenstapels; Mittel zum Liefern von Parametern aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom; Mittel zum Berechnen einer Steigung für den Stapel unter Verwenden der Parameter aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom; Mittel zum Berechnen einer Änderung des elektrischen Stroms als Reaktion auf ein Leistungsforderungssignal, Stapelspannung, Stapelstrom und die berechnete Steigung; und Mittel zum Erzeugen des Stromsollwerts beruhend auf dem sich ändernden elektrischen Strom.
System nach Anspruch 8, wobei das Mittel zum Liefern von Parametern aus der Schätzung der Kurve der Beziehung von Leistung/elektrischem Strom eine Austauschstromdichte und einen Stoffübergangskoeffizienten liefert.
System nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum Berechnen einer Steigung für den Stapel eine Zellenspannung bei zwei vorbestimmten Stapelstromdichten berechnet.