DE102011107183B4 - Verfahren zur Vorhersage der minimalen Zellenspannung aus dem diskreten minimalen Zellenspannungsausgang einer Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung und ein System zum Schätzen von Parametern eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Vorhersage des Trends einer minimalen Zellenspannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel (20), wobei das Verfahren umfasst, dass:eine Brennstoffzellenstapelspannung und -stromdichte des Brennstoffzellenstapels (20) überwacht werden;eine durchschnittliche Zellenspannung aus der gemessenen Stapelspannung auf der Basis der Anzahl von Brennstoffzellen in dem Stapel (20) bestimmt wird;eine minimale Zellenspannung der Zellen in dem Stapel (20) überwacht wird;bestimmt wird, ob die minimale Zellenspannung unter einen ersten vorbestimmten Schwellenwert fällt;ein erster Satz von künstlichen Datenpunkten für eine Zellenspannung nahe dem ersten Schwellenwert erzeugt wird, wenn die minimale Zellenspannung unter den ersten Schwellenwert fällt;bestimmt wird, ob die minimale Zellenspannung unter einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert fällt, wobei der zweite vorbestimmte Schwellenwert kleiner ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert;ein zweiter Satz von künstlichen Datenpunkten für eine Zellenspannung nahe dem zweiten Schwellenwert erzeugt wird, wenn die minimale Zellenspannung unter den zweiten Schwellenwert fällt; undBrennstoffzellenstapelparameter auf der Basis der durchschnittlichen Zellenspannung, der Stromdichte und des ersten und des zweiten Satzes von künstlichen Datenpunkten geschätzt werden, um so den Trend einer minimalen Zellenspannung und eine Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel (20) zu schätzen.

Description

• Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Vorhersage des Trends einer minimalen Zellenspannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel und im Spezielleren ein System und ein Verfahren zur Vorhersage des Trends einer minimalen Zellenspannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel mithilfe eines diskreten minimalen Zellenspannungsausgangs von einer Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung.
• Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in der Brennstoffzelle zu produzieren. 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 Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der 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 Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
• Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfassen 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 erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
• Mehrere einzelne Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung von Luft, die von einem Verdichter durch den Stapel hindurch gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas abgegeben, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
• Der Stapelcontroller muss das Strom/ Spannung-Verhältnis, als Polarisationskurve bezeichnet, des Brennstoffzellenstapels kennen, um eine einwandfreie Verteilung von Leistung von dem Stapel bereitzustellen. Das Verhältnis zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels ist typischerweise schwierig zu definieren, da es nicht linear ist und sich in Abhängigkeit von vielen Variablen einschließlich der Stapeltemperatur, der Stapelpartialdrücke und der Kathoden- und Anodenstöchiometrien ändert. Darüber hinaus ändert sich das Verhältnis zwischen dem Stapelstrom und der Spannung, wenn der Stapel im Lauf der Zeit degradiert. Im Speziellen wird ein älterer Stapel niedrigere Zellenspannungen aufweisen und wird mehr Strom bereitstellen müssen, um den Leistungsbedarf abzudecken als eine neuer, nicht degradierter Stapel. Glücklicherweise neigen viele Brennstoffzellenstapel dazu, dass sie, sobald sie sich über einer bestimmten Temperatur befinden, wiederholbare Betriebsbebedingungen bei einer gegebenen Stromdichte aufweisen. In diesen Fällen kann die Spannung näherungsweise als eine Funktion der Stapelstromdichte und des Alters definiert werden.
• Die minimale Zellenspannung der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel ist ein sehr wichtiger Parameter zur Überwachung der Stapelfunktionsfähigkeit und zum Schutz des Stapels vor einem Umkehrspannungsschaden. Außerdem wird die minimale Zellenspannung für viele Zwecke zur Steuerung des Brennstoffzellenstapels wie z. B. Leistungsbegrenzungsalgorithmen, Anodenstickstoffentlüftung, Diagnosefunktionen etc. verwendet. Allerdings sind die Kosten von bekannten Stapelspannungsüberwachungseinrichtungen, die einen kontinuierlichen minimalen Zellenspannungsausgang verwenden und eine Auflösung von 0,5 mV aufweisen, extrem hoch.
• JP 2009-266475 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Zellenspannung erfasst wird, eine innerhalb einer vorbestimmten Zeit niedrigste Spannung als minimale Zellspannung bestimmt wird, ein Signal erzeugt wird, wenn bei einem Vergleich die minimale Zellspannung kleiner als eine Schwellenspannung ist, und der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels erfasst wird. Dabei wird die Schwellenspannung auf Grundlage des größten Ausgangsstroms in den Ausgangsströmen bestimmt, der in der Vergangenheit um eine vorgeschriebene Zeit ab einem Zeitpunkt der Erfassung des Ausgangsstroms zurück gemessen wurde.
• Weiterer Stand der Technik ist in der US 2009 / 197 125 A1 und der US 2010 / 114 513 A1 beschrieben.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und Verfahren zu schaffen, mit denen es möglich ist, die minimale Zellenspannung der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel ohne die Notwendigkeit der Verwendung kostspieliger Überwachungskomponenten zu bestimmen, einschließlich der Kosten in Verbindung mit dem Aufzeichnen und Speichern von durch die Überwachungskomponenten bereitgestellter Information bei jedem Zeitschritt.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Hierzu ist ein System zum Schätzen von Parametern eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Das System umfasst eine Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung zur Überwachung einer minimalen Zellenspannung, der Stapelspannung und der Stromdichte des Brennstoffzellenstapels. Die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung zeigt auch an, wann ein vorbestimmtes minimales Zellenspannungsschwellenniveau erreicht wurde. Das System umfasst ferner einen Controller, der ausgebildet ist, um den Brennstoffzellenstapel zu steuern, wobei der Controller die durchschnittliche Zellenspannung bestimmt und speichert. Der Controller erzeugt und speichert künstliche Datenpunkte nahe dem einen oder der mehreren vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwellenniveaus jedes Mal, wenn die minimale Zellenspannung unter das eine oder die mehreren vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwellenniveaus fällt, um so eine Schätzung der Brennstoffzellenstapelparameter einschließlich des Trends einer minimalen Zellenspannung und einer Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung vorzusehen.
• 1 ist ein Graph mit der Stapelstromdichte auf der horizontalen Achse und der Stapelspannung auf der vertikalen Achse, der eine Brennstoffzellenstapel-Polarisationskurve für einen neuen Stapel und einen älteren Stapel zeigt;
• 2 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung und einen Controller umfasst;
• 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für einen Algorithmus zeigt, der eine Polarisationskurve für einen Brennstoffzellenstapel online schätzt;
• 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren für einen Algorithmus zeigt, der eine Polarisationskurve für einen Brennstoffzellenstapel schätzt; und
• 5 ist ein Graph mit der Stapelstromdichte auf der horizontalen Achse und der Zellenspannung auf der vertikalen Achse, der die Genauigkeit des vorhergesagten Trends einer minimalen Zellenspannung zeigt.
• Viele Steuerparameter eines Brennstoffzellensystems erfordern die Kenntnis der Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels wie z. B. die Kenntnis des maximalen Spannungspotentials und der Stromaufnahme, die von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist. Wenn der Stapel altert, ändert sich auch die Stapelpolarisationskurve infolge der Stapeldegradation. 1 ist ein Graph mit der Stapelstromdichte auf der horizontalen Achse und der durchschnittlichen Zellenspannung auf der vertikalen Achse. Die Graphlinie 10 ist eine Polarisationskurve für einen neuen Brennstoffzellenstapel und die Graphlinie 12 ist eine Polarisationskurve für einen gealterten Brennstoffzellenstapel, wobei für den älteren Stapel die durchschnittliche Zellenspannung für die gleiche Stapelstromdichte reduziert ist. Es ist daher notwendig, die Polarisationskurve für den Stapel zu aktualisieren, um die verschiedenen Steuerparameter für einen effizienten Brennstoffzellenstapelbetrieb genau zu bestimmen.
• 2 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 18, das einen Brennstoffzellenstapel 20, eine Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22 und einen Controller 24 umfasst. Der Controller 24 empfängt Daten von der Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22 und verwendet die von der Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22 gesammelten Daten wie z. B. die minimale Zellenspannung, die durchschnittliche Zellenspannung und Stromdichte, und ob ein oder mehrere Zellenspannungsauslöserniveaus erreicht wurde/n, um die Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung des Stapels 20 zu berechnen, nachdem zumindest ein minimaler Spannungsschwellenniveau-Auslöser erreicht wurde, wie nachfolgend im Detail beschrieben. In einer alternativen Ausführungsform kann eine separate Überwachungsvorrichtung für die minimale Zellenspannung verwendet werden, um eine minimale Zellenspannung zu messen, während die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22 Daten in Bezug auf die durchschnittliche Zellenspannung und Stromdichte sammelt.
• Es werden typischerweise eine Polarisationskurve auf der Basis der durchschnittlichen Zellenspannung und Stapelstromdichte und eine Polarisationskurve auf der Basis der minimalen Zellenspannung und der Stapelstromdichte gleichzeitig geschätzt. 3 ist ein Flussdiagramm 30, das den Betrieb auf hohem Niveau eines Algorithmus zum Berechnen der Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels durch den Controller 24 zeigt. Bei Feld 32 wartet der Controller 24, dass der Brennstoffzellenstapel 20 in Betrieb geht und Leistung bereitstellt. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 Leistung bereitstellt, wird der Algorithmus bei Feld 34 keine Spannungsdaten für die minimale Zellenspannung aufzeichnen, bis ein Auslöserniveau der minimalen Zellenspannung erreicht wurde, obwohl die minimale Zellenspannung kontinuierlich überwacht wird, wie nachfolgend im Detail erläutert.
• In einem zuvor offenbarten Algorithmus zum Berechnen einer Polarisationskurve einer minimalen Zellenspannung, der in US 2008/0 182 139 A1 mit dem Titel „Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack“ der vorliegenden Anmelderin offenbart ist, verwendet der Algorithmus alle von den kontinuierlichen Stapelstromdichtedaten und Stapelspannungsdaten, um eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung zu berechnen, oder er kann die Zellenspannung jeder Brennstoffzelle in dem Stapel überwachen, um die durchschnittliche Zellenspannung und die minimale Zellenspannung zu bestimmen. Somit werden alle von den kontinuierlichen Daten in einem Speicher eines Controllers wie z. B. dem Controller 24 verwendet und gespeichert, was infolge der aufgezeichneten und gespeicherten Datenmenge wie auch der Kosten in Verbindung mit den Komponenten, die erforderlich sind, um diese Messungen kontinuierlich auszuführen, kostspielig sein kann. Überdies ist dynamische Information über die durchschnittliche Zellenspannung und eine entsprechende Polarisationskurve nicht bekannt, da die Polarisationskurven bestimmt werden, nachdem der Brennstoffzellenstapel außer Betrieb genommen wurde.
• Der nachfolgend erläuterte Algorithmus zum Bestimmen eines Trends einer minimalen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 20 speichert und zeichnet nicht alle von den kontinuierlichen Daten über die minimale Zellenspannung auf, die eingegeben werden, bevor der Brennstoffzellenstapel 20 außer Betrieb genommen wird. Stattdessen verwendet der Algorithmus Informationen von der Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22 wie z. B. eine minimale Zellenspannung, durchschnittliche Brennstoffzellenspannung und Stromdichte, um Stapelparameter zu schätzen, nachdem ein oder mehrere Auslöserniveaus der minimalen Zellenspannung erreicht wurde/n, wie durch die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung bestimmt. Auf diese Weise müssen Daten in Bezug auf die minimale Zellenspannung nicht bei jedem Zeitschritt aufgezeichnet und gespeichert werden, wodurch die Kosten in Verbindung mit dem Aufzeichnen und Speichern der Daten in Bezug auf die minimale Zellenspannung reduziert sind. Außerdem ist der Algorithmus dynamisch und gibt somit unmittelbare Änderungen in der Zellenspannung und der entsprechenden Stromdichte wieder, sobald das/die Auslöserniveau oder -niveaus erreicht wurde/n. Das Vorsehen mehrerer Auslöserniveaus wird es dem Algorithmus ermöglichen, besser vorherzusagen, ob der Brennstoffzellenstapel 20 Spannung wiederherstellen kann oder nicht oder weiter Spannung verlieren wird, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben.
• 4 ist ein Flussdiagramm 40 für den Algorithmus zum Schätzen von Stapelparametern bei Feld 34 auf der Basis der durchschnittlichen Zellenspannung und der entsprechenden Stromdichte, der zwei Auslöserniveaus verwendet, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben. Wenn die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22 die Information in Bezug auf die minimale Zellenspannung, die durchschnittliche Zellenspannung und die entsprechende Stromdichte und viele (ein oder mehrere) diskrete Niveaus der minimalen Zellenspannung für eine gegebene Stromdichte ausgibt, verwendet der Algorithmus die vielen diskreten Niveaus des minimalen Zellenspannungsausganges zusätzlich zu den kontinuierlichen Daten über die durchschnittliche Zellenspannung, um den Trend einer minimalen Zellenspannung und die Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung vorherzusagen. Die kontinuierlichen Daten über die durchschnittliche Zellenspannung und Stromdichte können durch die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung 22, einen Aufwärtswandler oder verschiedene andere Zellenspannungsüberwachungsvorrichtungen bereitgestellt werden.
• Wie oben erläutert, wird die minimale Zellenspannung nicht bei jedem Zeitschritt aufgezeichnet. Vielmehr werden die minimale Zellenspannung und die entsprechende Stromdichte nur dann aufgezeichnet, wenn ein oder mehrere vorbestimmte/s Schwellenauslöserniveau/s erreicht wird/werden. Die Daten über die durchschnittliche Zellenspannung und Stromdichte werden von dem Controller 24 bei Feld 44 gesammelt und in Datenfächern abgespeichert, die durch Stromdichtewerte geteilt sind, und dies beginnt, sobald sich das Brennstoffzellensystem 18 in einem Laufzustand befindet. Als Nächstes bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 46, ob ein erster Schwellenniveauauslöser für die minimale Zellenspannung erreicht wurde, was anzeigt, dass eine Brennstoffzelle in dem Stapel das Schwellenniveau erreicht hat.
• Die minimale Zellenspannung kann z. B. ausgelöst werden, wenn eine der Zellen in dem Stapel eine Spannung von 0,45 Volt aufweist und die entsprechende Stromdichte 0,8 A/cm² beträgt. Wenn ja, zeigt die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung an, dass ein Auslöser getroffen wurde und die gespeicherten Daten über die durchschnittliche Zellenspannung werden in benachbarten Fächern bei Feld 48 überschrieben. Die in die Datenfächer zur Parameterschätzung geladenen Daten können z. B. 0,45 Volt als die minimale Zellenspannung für den Stromdichtebereich 0,8±c sein, wobei c ein abgestimmter Parameter sein kann, wie in 5 ersichtlich und nachfolgend erläutert.
• Das Überschreiben von Daten in benachbarten Fächern bei Feld 48 hilft, die minimale Zellenspannung bei dem vorbestimmten Auslöserniveau darzustellen und ermöglicht es dem Algorithmus dadurch, die Parameterschätzung, d. h., den Trend einer minimalen Zellenspannung und die Polarisationskurve einer minimalen Zellenspannung genauer vorherzusagen, was es dem Controller 24 gestattet, einen wünschenswerten Stromsollwert für den Brennstoffzellenstapel 20 festzulegen.
• Sobald das erste Auslöserniveau bei der Entscheidungsraute 46 erreicht ist und die Daten in den benachbarten Fächern bei Feld 48 überschrieben sind, bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 50, ob ein zweiter Schwellenniveauauslöser für eine minimale Zellenspannung erreicht wurde. Der minimale Zellenspannungsauslöser kann z. B. 0,30 Volt betragen und die entsprechende Stromdichte kann 1,0 A/cm² betragen. Wenn ja, zeigt die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung an, dass der zweite Auslöser getroffen wurde und die gespeicherten Daten über die durchschnittliche Zellenspannung werden in benachbarten Fächern bei Feld 52 überschrieben, wobei die in die Datenfächer geladenen Daten z. B. 0,30 Volt als die minimale Zellenspannung für den Stromdichtebereich 1,0±c sein können, wobei c ein abgestimmter Parameter sein kann, wie in 5 ersichtlich und nachfolgend erläutert. Wenn das zweite Auslöserniveau nicht erreicht wurde, setzt der Algorithmus bei Feld 44 fort, Daten über die durchschnittliche Zellenspannung und die entsprechende Stromdichte zu sammeln und schätzt in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform keine Parameter. In einer alternativen Ausführungsform kann die Parameterschätzung unabhängig davon, ob das zweite Auslöserniveau erreicht wurde, beginnen, nachdem das erste Auslöserniveau erreicht wurde, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben.
• Sobald das erste und das zweite Auslöserniveau bei den Entscheidungsrauten 46 bzw. 50 erreicht wurden und die Daten in benachbarten Fächern bei den Feldern 48 bzw. 52 überschrieben wurden, wird der Algorithmus verifizieren, dass die gesammelten Daten ausreichen, um die Parameter des Stapels 20 zu schätzen. Wenn die Daten ausreichen, schätzt der Algorithmus die Brennstoffzellenparameter einschließlich des Trends einer minimalen Zellenspannung und der Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung, wie in Feld 36 von 3 gezeigt. Die Parameterschätzung bei Feld 36 verwendet dieselbe Gleichung zum Bestimmen der Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung wie der zuvor offenbarte und oben erläuterte Algorithmus, wobei die in der Gleichung verwendeten Daten jedoch verschieden sind. Im Speziellen erzeugen die in den benachbarten Fächern bei den Feldern 48 und 52 überschriebenen Daten mehr Datenpunkte in der Nähe des ersten und des zweiten Auslöserniveaus, um so eine robustere Schätzung der Polarisationskurve für die minimale Zellenspannung vorzusehen, ohne dass es erforderlich ist, die Daten über die minimale Zellenspannung und die Stromdichte bei jedem Zeitschritt zu sammeln. Es wird angenommen, dass eine Polarisationskurve für die minimale Zellenspannung auf der Basis von experimentellen Daten existiert, die eine Korrelation zwischen der minimalen Zellenspannung und einer Änderung in der Stapelstromdichte zeigt.
• 5 ist ein Graph mit der Stapelstromdichte auf der horizontalen Achse und der Zellenspannung auf der vertikalen Achse, der die künstlichen Datenpunkte zeigt, die gemäß dem Algorithmus der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden. Eine Anhäufung von Datenpunkten 70 stellt die künstlich erzeugten Datenpunkte dar, die in den benachbarten Fächern bei Feld 48 überschrieben werden, und eine Anhäufung von Datenpunkten 72 stellt die künstlich erzeugten Datenpunkte dar, die in den benachbarten Fächern bei Feld 52 überschrieben werden. Die Linie 76 veranschaulicht die geschätzten Parameter gemäß dem zuvor offenbarten Algorithmus, der oben erläutert ist, die Linie 78 veranschaulicht die geschätzten Parameter gemäß dem Algorithmus der vorliegenden Erfindung und die Linie 80 veranschaulicht experimentelle Daten. 5 zeigt, dass der Algorithmus der Erfindung den Abfall in der Zellenspannung für die entsprechende Stromdichte genau schätzt, d. h., den Trend in einer minimalen Zellenspannung genau schätzt.
• Wie oben erläutert, können die Parameter des Brennstoffzellensystems 18 geschätzt werden, nachdem das erste Auslöserniveau bei der Entscheidungsraute 50 erreicht wurde, selbst wenn das zweite Auslöserniveau nicht erreicht wurde, wenn die gesammelten Daten ausreichen, indem die Daten verwendet werden, die in benachbarten Fächern bei dem Feld 48 überschrieben wurden, und dann Daten in Bezug auf die Zellenspannung und Stromdichte kontinuierlich gesammelt werden, um dynamische Änderungen zu erfassen, welche die geschätzten Parameter beeinflussen können. Um Stapelparameter zu schätzen, nachdem das erste Auslöserniveau erreicht wurde, muss die Menge gesammelter Daten ausreichen, wie durch den Stromdichtebereich des Stapels 20 bestimmt. Alternativ können die Parameter des Brennstoffzellensystems 18 geschätzt werden, nachdem mehr als zwei Auslöserniveaus erreicht wurden, wenngleich in 4 der Einfachheit halber nicht gezeigt, und dann Daten in Bezug auf die durchschnittliche Zellenspannung und Stromdichte kontinuierlich gesammelt werden, um dynamische Änderungen zu erfassen, welche die geschätzten Parameter beeinflussen können. Mehr als zwei Auslöserniveaus implizieren typischerweise, dass die gesammelten Daten ausreichen, da zu erwarten ist, dass die Auslöserniveaus variierende Stromdichten aufweisen werden. Allgemein wird die Parameterschätzung um so genauer sein, je mehr Auslöserniveaus verwendet werden.
• Sobald die Parameterschätzung bei Feld 36 beendet ist, wird die Parameterschätzung in einem nichtflüchtigen Speicher des Controllers 24 bei Feld 38 gespeichert. Überdies wird der Algorithmus, sobald die Parameterschätzung bei Feld 36 beginnt, die Parameter auf der Basis des dynamischen Dateneingangs, wie oben erläutert, einschließlich eines Trends einer minimalen Zellenspannung und einer Polarisationskurve einer minimalen Zellenspannung, kontinuierlich vorhersagen.
• Nachdem die Parameterschätzung bei Feld 36 beendet ist, schreitet der Algorithmus zu Feld 38 weiter, um die geschätzten Parameter, die verwendet werden, um die Polarisationskurve zu bestimmen, in einem nichtflüchtigen Speicher zu speichern. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform wird ein vorbestimmtes Zellenspannungsmodell verwendet, um die Parameter zu bestimmen als: $$E_{cell}=E_{rev}-\left(i+a\right)\ast R_{HFR}-\left(\mathrm{0,07}\ast {\text{log}}_{10}\left(\frac{i+a}{i^0}\right)+c{\text{ log}}_{10}\left(1-\frac{i}{i^{\infty }}\right)\right)$$

  

  wobei die folgenden Maßeinheiten vorgesehen sind:
• E_cell = Zellen spannung (V)
• i = Stromdichte (A/cm²); und
• R_HFR = Zellen-HFR-Widerstandsmessung oder aus Modell (Ohm cm²)
• Die folgenden angenommenen Konstanten sind vorgesehen:
• E_rev = Thermodynamisches reversibles Zellenpotential (V); und
• a = Hintergrundstromdichte aus Zellenkurzschluss/Zellenüberbrückung (A/ cm²)
• Die folgenden Parameter sind vorgesehen:
• i⁰ = Austauschstromdichte (A/cm²)
• j^∞ = Grenzstromdichte (A/cm²); und
• c = Massenübertragungskoeffizient.
• Für ein System mit einer sehr wiederholbaren Membranbefeuchtungssteuerung könnte R_HFR als eine Funktion der Stromdichte dargestellt werden. Ebenso könnte auch E_rev als eine Funktion der Stromdichte dargestellt werden. Dies legt den Schluss nahe, dass bei jeder Stromdichte der Betriebsdruck, die Temperatur, die Stöchiometrie und die Befeuchtung ausreichend wiederholbar sind, um einen grob vereinfachenden Term zu verwenden. In einer weiteren Ausführungsform könnte der durchschnittliche R_HFR bei jeder Zählung gemessen oder berechnet und der Durchschnitt gebildet werden. Der Wert E_rev könnte in derselben Weise auf der Basis der Temperatur- und Druckdaten bei jeder Zählung errechnet werden.
• Das Zellenspannungsmodell von Gleichung (1) kann durch Weglassen der Konstante a vereinfacht werden, sodass Gleichung (1) zu: $$E_{cell}=E_{rev}-\left(i\right)\ast R_{HFR}-\left(\mathrm{0,07}\ast {\text{log}}_{10}\left(\frac{i}{i^0}\right)+c{\text{ log}}_{10}\left(1-\frac{i}{i^{\infty }}\right)\right)$$

  

  wird.
• Die Umformung der Terme in Gleichung (2) ergibt: $$E_{rev}-\left(i\right)\ast R_{HFR}-E_{cell}=\left(\mathrm{0,07}\ast {\text{log}}_{10}\left(\frac{i}{i^0}\right)+c{\text{ log}}_{10}\left(1-\frac{i}{i^{\infty }}\right)\right)$$

  
• Um die Parameterschätzung vorzusehen, sind die folgenden Variablen definiert: $$y=E_{rev}-\left(i\right)\ast R_{HFR}-E_{cell}$$

  

  $$x=i$$

  

  $${\theta }_1=i^0$$

  

  $${\theta }_2=i^{\infty }$$

  

  $${\theta }_3=c$$

  
• Gleichung (3) kann in der folgenden Form dargestellt werden: $$y=F\left(x,\theta \right)$$

  
• Somit kann Gleichung (3) dargestellt werden als: $$y=\left(\mathrm{0,07}\ast {\text{log}}_{10}\left(\frac{x}{{\theta }_1}\right)+{\theta }_3{\text{ log}}_{10}\left(1-\frac{x}{{\theta }_2}\right)\right)$$

  
• In Gleichung (5) ist das Eingangs-Ausgangspaar (x, y) und die zu schätzenden Parameter sind θ = [θ₁, θ₂,θ₃]^T.
• Für einen gegebenen Trainingssatz G = x(i), y(i): (i = 1,2,..., M) kann eine Kostenfunktion, die minimiert werden soll, definiert werden als: $$J\left(\theta ,G\right)=\frac{1}{2}{\displaystyle {\sum }_{i=1}^M{\left|y\left(i\right)-F\left(x\left(i\right),\theta \right)\right|}^2}$$

  
• Indem ε(i) = y(i) - F)(x(i), θ) gesetzt wird, wird Gleichung (6) zu: $$J\left(\theta ,G\right)=\frac{1}{2}{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^M\epsilon \left(i\right)}}^T\epsilon \left(i\right)=\frac{1}{2}\epsilon {\left(\theta ,G\right)}^T\epsilon \left(\theta ,G\right)$$

  
• Damit löst die Parameterschätzung ein nichtlineares Problem kleinster Quadrate, sodass die Lösung θ = [θ₁, θ₂, θ₃]^T J(θ,G) minimiert.
• Das nichtlineare Problem kleinster Quadrate kann unter Verwendung eines beliebigen geeigneten numerischen Verfahrens gelöst werden, beispielsweise einer Gauss-Newton-Schätzung mit einem Levenberg-Marquardt-Aktualisierungsverfahren. Der Gauss-Newton-Ansatz kann durch ein Linearisieren eines Fehlers ε(θ,G) bei dem aktuellen Wert von θ(k), wobei k ein Iterationsindex ist, und durch ein Lösen des Problems kleinster Quadrate zur Minimierung des Fehlerwerts und zur Schätzung von θ(k + 1) zusammengefasst werden. In einer Ausführungsform wird der Rechenaufwand minimiert, indem der Wert θ₂ auf eine Konstante θ_c gesetzt wird und die anderen zwei Parameter θ₁ und θ₃ geschätzt werden. Dies ist jedoch insofern ein nicht einschränkendes Beispiel, als alle drei Parameter θ₁, θ₂ und θ₃ oder irgendwelche anderen geeigneten Parameter von dem Algorithmus geschätzt werden können.
• In weiteren Ausführungsformen können andere Techniken verwendet werden, um die Gleichung (7) zu lösen. Für Stapeln beispielsweise, in denen die Leistungsfähigkeit gegenüber dem Parameter i^∞ unempfindlich ist, könnte dieser Parameter durch eine Konstante ersetzt werden. Dann könnten die Parameter i⁰ und c sequentiell gelöst werden. Der Parameter i⁰ könnte durch Verwendung von Daten gelöst werden, die bei einer Stromdichte gesammelt werden, die niedrig genug ist, um Massentransportverluste zu minimieren, aber hoch genug, um den Effekt der Permeation zu minimieren (0,05 - 0,1 A/cm²). Dann könnte die resultierende Gleichung mit den Daten bei hoher Stromdichte gelöst werden, um den Parameter c zu erhalten.
• Der Algorithmus kann auch ermitteln, ob die geschätzten Parameter ein vorbestimmtes Schätzungserfolgskriterium (ESC von estimation success criteria) bereitstellen oder überschreiten. Insbesondere müssen in einer nicht einschränkenden Ausführungsform die berechneten Parameter die Gleichung: $${\left(\theta \left(k+1\right)-\theta \left(k\right)\right)}^T\left(\theta \left(k+1\right)-\theta \left(k\right)\right)\le \omega \theta {\left(k\right)}^T\theta \left(k\right)$$

  

  erfüllen, wobei ω ein abstimmbarer Parameter ist, der zur Ermittlung des stationären Zustands der Schätzung verwendet wird.
• Sobald die Schätzung der Parameter bei Feld 36, wie in 3 gezeigt, beendet ist, speichert der Algorithmus die geschätzten Parameter bei Feld 38 in einem nichtflüchtigen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (NV RAM), wie oben erläutert. Der Controller 24 kann dann auf das NV RAM zugreifen, um die aktuellen Schätzparameter zu holen, welche dann verwendet werden können, um die Polarisationskurve auf eine Weise zu berechnen, die von Fachleuten wohl verstanden wird. Sobald der Algorithmus beginnt, die Parameter zu schätzen, wird er sie kontinuierlich auf der Basis des dynamischen Dateneingangs, der in die Datenfächer fällt, schätzen, sodass die künstlichen Datenpunkte in benachbarten Fächern überschrieben werden, wie oben stehend erläutert, wenn die minimale Zellenspannung wieder den Auslöser trifft. Wenn die minimale Zellenspannung nie mehr den Auslöser erreicht, wird die geschätzte minimale Zellenspannung allmählich nahe bei der durchschnittlichen Zellenspannung liegen, da die Werte der durchschnittlichen Zellenspannung den Dateneingang beherrschen werden. Außerdem kann, sobald die Parameterschätzung bei Feld 36 beendet ist, ein erwünschter Stromsollwert für den Brennstoffzellenstapel 20 bestimmt werden. Eine detaillierte Erläuterung zur Bestimmung eines Stromsollwerts für den Brennstoffzellenstapel 20 findet sich in US 2011/0 076 582 A1 mit dem Titel „Method to Improve Fuel Cell System Performance Using Cell Voltage Prediction of Fuel Cell Stack“ der vorliegenden Anmelderin.

Claims (10)

1. Verfahren zur Vorhersage des Trends einer minimalen Zellenspannung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel (20), wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Brennstoffzellenstapelspannung und -stromdichte des Brennstoffzellenstapels (20) überwacht werden; eine durchschnittliche Zellenspannung aus der gemessenen Stapelspannung auf der Basis der Anzahl von Brennstoffzellen in dem Stapel (20) bestimmt wird; eine minimale Zellenspannung der Zellen in dem Stapel (20) überwacht wird; bestimmt wird, ob die minimale Zellenspannung unter einen ersten vorbestimmten Schwellenwert fällt; ein erster Satz von künstlichen Datenpunkten für eine Zellenspannung nahe dem ersten Schwellenwert erzeugt wird, wenn die minimale Zellenspannung unter den ersten Schwellenwert fällt; bestimmt wird, ob die minimale Zellenspannung unter einen zweiten vorbestimmten Schwellenwert fällt, wobei der zweite vorbestimmte Schwellenwert kleiner ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert; ein zweiter Satz von künstlichen Datenpunkten für eine Zellenspannung nahe dem zweiten Schwellenwert erzeugt wird, wenn die minimale Zellenspannung unter den zweiten Schwellenwert fällt; und Brennstoffzellenstapelparameter auf der Basis der durchschnittlichen Zellenspannung, der Stromdichte und des ersten und des zweiten Satzes von künstlichen Datenpunkten geschätzt werden, um so den Trend einer minimalen Zellenspannung und eine Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel (20) zu schätzen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des ersten Satzes von künstlichen Datenpunkten umfasst, dass der erste Satz von künstlichen Datenpunkten mit einem vorbestimmten Stromdichtebereich nahe dem ersten vorbestimmten Schwellenwert für die minimale Zellenspannung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des zweiten Satzes von künstlichen Datenpunkten umfasst, dass der zweite Satz von künstlichen Datenpunkten mit einem vorbestimmten Stromdichtebereich nahe dem zweiten vorbestimmten Schwellenwert für die minimale Zellenspannung erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der Brennstoffzellenstapelparameter kontinuierlich, nachdem die Schätzung begonnen hat, mithilfe von Echtzeit-Durchschnittsspannungs- und der entsprechenden Stromdichtedaten des Brennstoffzellenstapels (20) ausgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein Leistungsbegrenzungsalgorithmus verwendet wird, um die geschätzten Brennstoffzellenstapelparameter zu integrieren, um zu verhindern, dass Brennstoffzellenspannungspotential-Umkehrungen stattfinden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen von minimalen Zellenspannungen, durchschnittlichen Zellenspannungen und Stromdichten umfasst, dass eine Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung (22) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überwachen von durchschnittlichen Zellenspannungen und Stromdichten umfasst, dass ein Aufwärtswandler verwendet wird.
8. System zum Schätzen von Parametern eines Brennstoffzellenstapels (20), wobei das System umfasst: eine Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung (22) zur Überwachung einer minimalen Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel (20), der Stapelspannung und der Stromdichte des Brennstoffzellenstapels (20), wobei die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung (22) anzeigt, wann ein vorbestimmtes minimales Zellenspannungsschwellenniveau erreicht wurde; und einen Controller (24), der ausgebildet ist, um den Brennstoffzellenstapel (20) zu steuern, wobei der Controller (24) die durchschnittliche Brennstoffzellenspannung auf der Basis der Stapelspannung und der Anzahl von Brennstoffzellen in dem Stapel (20) bestimmt und aufzeichnet, wobei der Controller (24) künstliche Datenpunkte nahe dem einen oder der mehreren vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwellenniveaus jedes Mal erzeugt und speichert, wenn die minimale Zellenspannung unter das eine oder die mehreren vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwellenniveaus fällt, wie durch die Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung (22) angezeigt, um so eine Schätzung der Brennstoffzellenstapelparameter einschließlich eines Trends einer minimalen Zellenspannung und einer Polarisationskurve der minimalen Zellenspannung vorzusehen.
9. System nach Anspruch 8, wobei der Controller (24) die Brennstoffzellenstapelparameter schätzt, sobald die Menge gesammelter Daten ausreichend ist, wie durch den Stromdichtebereich bestimmt.
10. System nach Anspruch 9, wobei der Controller (24) die Brennstoffzellenstapelparameter, nachdem die Schätzung beginnt, mithilfe von Echtzeit-Durchschnittsspannungs- und der entsprechenden Stromdichtedaten von dem Brennstoffzellenstapel (20) kontinuierlich schätzt.

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