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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Vorsehen einer Schätzung von Feuchteniveaus eines Brennstoffzellenstapeleinlasses und -auslasses und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zum Ermitteln von relativer Feuchte während Betriebsstransienten von Brennstoffzellen, ohne dass von einem Sensor eine Rückmeldung der relativen Feuchte erforderlich ist.
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Bei einem typischen Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömungspfad zu der Anodenseite einer Brennstoffzelle zugeführt, während Sauerstoff (etwa in der Form von Atmosphärensauerstoff) durch einen separaten Strömungspfad der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Katalysatoren, typischerweise in der Form eines Edelmetalls wie etwa Platin, werden an der Anode und Kathode platziert, um die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Elektronen und positiv geladenen Ionen (für den Wasserstoff) und negativ geladen Ionen (für den Sauerstoff) zu erleichtern. Die Elektronen strömen durch einen äußeren elektrisch leitenden Kreis (wie etwa eine Last), um nutzbare Arbeit zu erbringen, und dann weiter zu der Kathode. Eine Elektrolytschicht trennt die Anode von der Kathode, um das selektive Passieren von Ionen von der Anode zu der Kathode erfolgen zu lassen. Die Kombination aus den positiv und negativ geladenen Ionen an der Kathode führt zur Erzeugung von umweltverträglichem Wasser als Nebenprodukt der Reaktion. Bei einer Form von Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle bezeichnet wird, liegt die Elektrolytschicht in Form einer protonendurchlässigen Membran; die geschichtete Struktur, die durch diese zwischen der Anode und Kathode sandwichartig eingeschlossene PEM gebildet wird, wird üblicherweise als PEM-Elektrodenbaugruppe (MEA) bezeichnet. Jede MEA bildet eine einzelne Brennstoffzelle, und viele solcher einzelner Zellen können kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, was die Ausgangsleistung desselben steigert. Mehrere Stapel können miteinander verbunden werden, um die Ausgangsleistung weiter zu steigern. Die PEM-Brennstoffzelle hat sich bei Fahrzeuganwendungen und ähnlichen mobilen Anwendungen als besonders vielversprechend gezeigt.
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In der PEM-Brennstoffzelle sind ausgewogene Feuchtigkeits- oder Feuchteniveaus erforderlich, um einen ordnungsgemäßen Betrieb und Haltbarkeit sicherzustellen. Es ist zum Beispiel wichtig zu vermeiden, dass zu viel Wasser in der Brennstoffzelle vorhanden ist, was zur Blockierung von Reaktanten zu der porösen Anode und Kathode führen kann. Dagegen beschränkt zu wenig Hydratation die elektrische Leitfähigkeit der Membran und kann in extremen Fällen dazu führen, dass sie vorzeitig verschleißt. Somit ist es vorteilhaft, Kenntnis des Hydratationsniveaus in einer Brennstoffzelle, insbesondere in PEM-Brennstoffzellen, die häufig bei erhöhten Temperaturen arbeiten, die sich auf das Hydratationsniveau einer Zelle auswirken können, zu haben.
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Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) ist eine bekannte Diagnosemethode zum indirekten Messen von MEA-Hydratation. Bei einer typischen HFR-Konfiguration verwenden Sensoren einen Hochfrequenz-Rippelstrom, um Brennstoffzellenwiderstand zu messen. Auch wenn eine solche Vorgehensweise gegenüber Änderungen relativer Feuchte (RH) besonders empfindlich ist, kann ihre Empfindlichkeit gegenüber anderen Brennstoffzellenbedingungen fehlerhafte Messungen hervorrufen. Der gemessene Brennstoffzellenwiderstand oder HFR-Wert misst mit anderen Worten den Widerstand des Aufbaus von Wasser in der PEM der Brennstoffzelle und nicht die Nässe der Luft. Die Luft muss die PEM trocknen oder anfeuchten, damit eine Änderung des HFR-Werts eintritt. Eine besondere Schwäche der HFR-basierten Schätzung ist die inhärente Verzögerung des HFR, insbesondere bei Bedingungen geringer Strömung, die bei dem HFR-Wert eine Hysteresereaktion aufweist. Diese Hysteresereaktion bedeutet, dass in Situationen, bei denen schnelle Einlassfeuchteänderungen vorliegen, diese Änderungen nicht einem durchschnittlichen HFR-Wert des Stapels entsprechen, der häufig verzögert ist. Dies kann dazu führen, dass ein Steuergerät den Stapel übertrocknet; ein solches Übertrocknen überwiegt insbesondere an dem Kathodeneinlass, wo eine chemische Degradation und ein anschließendes Verdünnen der PEM eintreten können. Somit ist es in einem Brennstoffzellensystem nach wie vor problematisch und schwierig, präzise Schätzungen relativer Feuchteniveaus vorzusehen. In fahrzeugbasierten Brennstoffzellensystemen, bei denen Zuverlässigkeit, Gewicht und Kosten die Probleme weiter verstärken, ist dies besonders akut. Bei herkömmlichen Konfigurationen wird zum Verwirklichen der Überwachung der RH des Stapels ein separater Feuchtesensor verwendet, um die RH der durch den Stapel strömenden Luft zu messen. Der Feuchtesensor ermöglicht es einem Steuersystem, die Feuchte der PEM zu ermitteln, ohne der Verzögerung oder Hysteresereaktion der HFR-Sensoren als Reaktion auf Betriebstransienten zu unterliegen. Leider steigern solche Feuchtesensoren die Kosten und Komplexität des Systems Zum Interpretieren und Modifizieren der RH des Stapels wird ein Modellalgorithmus einer Kathodenbefeuchtungseinheit (CHU) verwendet. Schwankungen der Effektivität des CHU-Modells können auf eine Schwankung unter den Teilen, Degradation oder sogar Lecks zurückzuführen sein. Die Degradation kann von dem Nutzungsprofil abhängen und kann von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedlich sein. Weiterhin verwendet das CHU-Modell für die Berechnungen der RH des Stapels einen RH-Wert des Auslasses des Stapels. Wenn der RH-Wert des Auslasses einen Fehler aufweist (z. B. aufgrund eines Fehlers bei der Stöchiometrieschätzung, der Temperaturrückmeldung oder gar Schwankung bei Anodenwasserübertritt), würde sich dies auf die Fähigkeit des CHU-Modells auswirken, die RH des Stapels zu berechnen einen zirkulären Bezug hervorrufen.
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Ein Referenzsignal wäre für das CHU-Modell von Vorteil, um die RH des Stapels ohne Notwendigkeit des Feuchtesensors zu berechnen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer Ausgestaltung der Lehren der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Ermitteln der relativen Feuchte eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem vertraut auf eine Einrichtung zur Steuerung relativer Feuchte, um die relative Feuchte eines Brennstoffzellenstapels zu steuern. Die Einrichtung zur Steuerung relativer Feuchte verwendet ein Steuergerät, eine Kathodenbefeuchtungseinheit, ein Ventil, eine erste Vorrichtung und eine zweite Vorrichtung sowie mehrere Brennstoffzellen, um die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu schätzen. Ein Steuergerät arbeitet mit der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung zusammen und empfängt von beiden Vorrichtungen das Ventilsignal bzw. den Hochfrequenzwiderstandswert. Das Steuergerät steuert die relative Feuchte durch Änderungen der Stellung des Ventils, das in mehreren Strömungspfaden des Brennstoffzellensystems fluidisch angeordnet ist, beruhend auf mindestens einem von Ventilsignal und Hochfrequenzwiderstandswert. In einer Form wird die relative Feuchte des Brennstoffzellensystems ohne die Notwendigkeit eines Feuchtesensors ermittelt.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Lehren der Erfindung wird ein Verfahren zum Schätzen der relativen Feuchte während Betriebstransienten eines Brennstoffzellensystems offenbart. Die relative Feuchte wird durch Empfangen eines Ventilsignals von einer ersten Vorrichtung und eines Hochfrequenzwiderstandswerts von einer zweiten Vorrichtung geschätzt. Die erste Vorrichtung ist ausgelegt, um das Ventilsignal zu übermitteln, wobei das Ventilsignal einer Stellung eines Ventils entspricht, das in mehreren Strömungspfaden des Brennstoffzellensystems fluidisch angeordnet ist. Die zweite Vorrichtung ist ausgelegt, um den Hochfrequenzwiderstandswert von dem Brennstoffzellenstapel zu übermitteln. Die relative Feuchte wird durch Ausführen von mehreren Algorithmen in einem Prozessor eines Steuergeräts geschätzt. Der erste Algorithmus ist ein Modell einer Kathodenbefeuchtungseinheit (CHU), und der zweite ist ein adaptiver Algorithmus. Der adaptive Algorithmus modifiziert das CHU-Modell durch Auswerten des Ventilsignals und des Hochfrequenzwiderstands.
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Gemäß einer noch anderen Ausgestaltung der Lehren der Erfindung wird ein Verfahren für das Betreiben einer Einrichtung zur Steuerung relativer Feuchte und für das Schätzen der relativen Feuchte während Betriebstransienten eines Brennstoffzellensystems offenbart. Die Einrichtung zur Steuerung relativer Feuchte verwendet ein Steuergerät, eine Kathodenbefeuchtungseinheit, ein Ventil, eine erste Vorrichtung und eine zweite Vorrichtung sowie mehrere Brennstoffzellen, um die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu schätzen. Ein Steuergerät arbeitet mit der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung zusammen und empfängt von beiden Vorrichtungen das Ventilsignal und den Hochfrequenzwiderstandswert. Die relative Feuchte schätzt durch Ausführen eines Kathodenbefeuchtungseinheitsmodells und eines adaptiven Algorithmus in einem Prozessor eines Steuergeräts, der mit der ersten Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung zusammenarbeitet, die relative Feuchte von mehreren Brennstoffzellen. Der adaptive Algorithmus modifiziert das Modell der Kathodenbefeuchtungseinheit durch Auswerten des Ventilsignals und des Hochfrequenzwiderstandswerts, um die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu schätzen. Das Steuergerät steuert die relative Feuchte durch Änderungen der Stellung des Ventils, das in mehreren Strömungspfaden des Brennstoffzellensystems fluidisch angeordnet ist, beruhend auf der Schätzung der relativen Feuchte des Brennstoffzellenstapels.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lässt sich am besten bei Lesen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verstehen, bei denen eine ähnliche Struktur mit ähnlichen Bezugszeichen angezeigt ist und bei denen:
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1 eine Darstellung eines Fahrzeugs zeigt;
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2 einen Strömungspfad für Luft durch ein Brennstoffzellensystem veranschaulicht;
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3 eine schematische Ansicht eines CHU-Modells ist; und
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4 das CHU-Modell veranschaulicht, das ein Ventil moduliert, um die relative Feuchte eines Stapels in dem Brennstoffzellensystem anzupassen.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Ausführungsformen der Erfindung, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, setzen nicht auf einen separaten und eigenständigen Feuchtesensor, um eine RH eines Brennstoffzellenstapels zu ermitteln. Stattdessen nutzt sie Signale von Sensoren, die den Stapel überwachen, oder ein Stapel-als-Sensor-Vorgehen, um den RH-Wert für den Brennstoffzellenstapel ohne Notwendigkeit des Feuchtesensors zu ermitteln. Das Stapel-als-Sensor-Vorgehen verwendet einen HFR-Wert des Brennstoffzellenstapels, und zusammen mit Kenntnis einer Ventilstellung und einem adaptiven CHU-Modell kann die RH des Brennstoffzellenstapels ermittelt werden.
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Der HFR-Wert verwendet eine zweite Vorrichtung (nachstehend beschrieben), um eine Wassermenge oder Hydratation in einer PEM der Brennstoffzelle zu messen. Die zweite Vorrichtung kann ein Widerstandssensor sein, der zum Messen eines Widerstands einer Wassermenge oder Hydratation der PEM verwendet wird. Die RH einer durch die PEM strömenden Luft kann durch den HFR-Wert direkt ermittelt werden. Es kann eine Änderung der Wassermenge in der PEM auftreten, damit sich eine Änderung in dem HFR-Wert wiederspiegelt. Die Zeit, die erforderlich ist, damit Luft die PEM trocknet oder die PEM mit Wasser sättigt, kann in dem HFR-Wert als Zeitverzögerung zwischen der Änderung der RH der Luft und einer Änderung des HFR-Werts auftreten.
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Unter Bezugnahme zunächst auf 1 wird ein Fahrzeug 10 (z. B. ein Auto, Bus, Lastwagen oder Motorrad), durch ein Brennstoffzellensystem angetrieben wird, gezeigt. Manche Komponenten des Brennstoffzellensystems können zahlreiche Brennstoffzellen umfassen (die vorzugsweise als ein oder mehrere Stapel 20 angeordnet sind), die gespeicherten gasförmigen Brennstoff von einem Tank 30 in elektrischen Strom umwandeln, um elektrische Energie zu einer (nicht gezeigten) Maschine zu liefern, die eine vollelektrische Maschine oder eine Hybridelektromaschine (z. B. eine Maschine, die sowohl elektrischen Strom als auch benzinbasierte Verbrennung für Antriebsleistung verwendet) sein kann, die die Energie von dem Brennstoffzellensystem nutzt, um das Fahrzeug 10 anzutreiben. Das Brennstoffzellensystem kann auch eine beliebige Anzahl von Ventilen, Kompressoren, Verroh, Temperaturreglern, Stromspeichervorrichtungen (z. B. Batterien, Ultrakondensatoren oder dergleichen) und Steuergeräte umfassen, um den Kraftstoff von dem Tank 30 oder den Tanks zu dem Brennstoffzellensystem zu liefern sowie um eine Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems vorzusehen. Solche Steuergeräte werden nachstehend näher erläutert.
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Es kann eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Arten von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden (z. B. Metallhydrid-Brennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen oder jede andere Art von bekannten Brennstoffzellen). In dem Brennstoffzellensystem können auch mehrere Brennstoffzellen in Reihe und/oder parallel als Stapel 20 kombiniert werden, um durch das Brennstoffzellensystem eine höhere elektrische Spannung und/oder höheren elektrischen Strom zu erzeugen. Die erzeugte elektrische Energie kann einer (nicht gezeigten) Maschine direkt zugeführt oder in einer (nicht gezeigten) Stromspeichervorrichtung für spätere Nutzung durch das Fahrzeug 10 gespeichert werden.
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2 veranschaulicht einen Strömungspfad für Luft 50 durch das Brennstoffzellensystem. Die Luft 50 dringt in einen Kompressor 40 ein, wo die Luft 50 verdichtet werden kann. Die Luft 50 verlässt den Kompressor 40 und dringt in einen Wärmetauscher 45 ein, wo die RH der Luft 50 reduziert wird, um eine trockene Luft 47 zu erzeugen. Die trockene Luft 47 dringt in ein Ventil 55 ein, in dem die trockene Luft 47 umgeleitet werden kann, um in eine Rohrseite 60 einer Kathodenbefeuchtungseinheit (CHU) 65 einzudringen, oder kann um die Rohrseite 60 umgeleitet werden. Das Ventil 55 kann durch ein prozentuales Öffnen, das von 0 bis 100 Prozent reicht, die Menge trockener Luft 47 ändern, die um die Rohrseite 60 umgeleitet wird. Die CHU 65 kann verwendet werden, um die RH der trockenen Luft 47 zu steigern, um eine feuchte Luft 70 zu erzeugen. Das prozentuale Öffnen durch das Ventil 55 wird durch ein Steuergerät 110 gesteuert, wie in 3 gezeigt wird. An einem Mischpunkt 75 mischen sich die trockene Luft 47 und die feuchte Luft 70, um eine Mischluft 80 einer spezifischen RH zu erzeugen, die durch das Steuermodul ermittelt wird.
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Die Mischluft 80 dringt in den Stapel 20 ein und beteiligt sich am Energieerzeugungsprozess, der in dem Hintergrundabschnitt beschrieben wird. Eine Austrittsluft 90 verlässt den Stapel 20 abhängig von der Wassermenge in der PEM, einer Luftströmungsgeschwindigkeit über der PEM und der RH der Mischluft 80 entweder bei einer höheren RH oder einer niedrigeren RH. Die Austrittsluft 90 kann von der CHU 65 an einer Mantelseite 95 verwendet werden, um die RH der Luft 50 zu steigern, um die feuchte Luft 70 zu erzeugen. Die Austrittsluft 90 wird von dem Fahrzeug als Abgas 100 abgelassen.
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3 ist eine schematische Ansicht eines CHU-Modells 115, das von dem Steuergerät 110 verwendet wird, um eine Hydratation des Stapels 20 zu ermitteln, wie in 2 gezeigt wird. Der HFR-Wert 120 von der zweiten Vorrichtung kann in einen HFR-basierten Schätzungsalgorithmus 125 eingegeben werden. Der HFR-basierte Schätzungsalgorithmus 125 berechnet einen RH-Wert 130 des Stapelauslasses unter Verwenden einer Luftströmung 131, einer Temperatur 132, eines Drucks 133 und von Stromeingängen, wie nachstehend näher beschrieben wird. Der RH-Wert 130 des Stapelauslasses wird in einen ersten Temperaturkorrekturalgorithmus 135 eingegeben, der den HFR-RH-Schätzwert 130 anpassen kann, um einen RH-Mantelwert 140 zu ermitteln. Der RH-Mantelwert 140 kann die RH der Austrittsluft 90 bei deren Austreten aus dem Stapel 20 korrigiert hinsichtlich eines etwaigen Wärmeverlusts in einer (nicht gezeigten) Verrohrung zwischen dem Stapel 20 und der Mantelseite 95 der CHU 65 sein. Der RH-Mantelwert 140 kann von dem CHU-Modell 115 verwendet werden, um einen RH-Rohrwert 145 zu ermitteln. Der RH-Rohrwert 145 ist eine Schätzung der RH der aus der Rohrseite 60 der CHU 65 austretenden feuchten Luft 70. Der RH-Rohrwert 145 wird beruhend auf dem CHU-Modell berechnet, wie nachstehend beschrieben wird.
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Eine erste Vorrichtung 220 erzeugt ein Ventilsignal 155, das der prozentualen Öffnung des Ventils 55 entspricht. Alternativ kann die erste Vorrichtung 220 auch das Ventilsignal 155 erzeugen, das einem Ventilbefehlssignal 250 entspricht, wie nachstehend beschriebe wird. Ein Mischalgorithmus 150 kann den RH-Rohrwert 145 und das Ventilsignal 155 verwenden, um einen RH-Wert 160 der Mischluft zu ermitteln. Das Ventilsignal 155 ist ein Umgehungsverhältnis (α), das den Prozentsatz des Öffnens des Ventils 55 anzeigen kann. Der RH-Wert 160 der Mischluft ist die RH der Mischluft 80 an dem Mischpunkt 75. Es kann ein zweiter Temperaturalgorithmus 165 verwendet werden, um den RH-Wert 160 der Mischluft zu normalisieren, um einen endgültigen RH-Wert 170 zu ermitteln, der eine Einlasstemperatur des Stapels 20 ist, wie nachstehend näher beschrieben wird.
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Ein adaptiver Algorithmus 175 kann den endgültigen RH-Wert 170 und einen RH-Wert 180 des Stapeleinlasses verwenden, um einen Parameter 185 auszugeben, der von dem CHU-Modell 115 verwendet werden kann, um den RH-Rohrwert 145 zu modifizieren. Durch Modifizieren des RH-Rohrwerts 145 kann der endgültige RH-Wert 170 einen RH-Wert nahe einem tatsächlichen RH-Wert in dem Stapel 20 präziser anzeigen. Ein Algorithmus zur Freigabe des Adaptierens legt ein Auslösekriterium fest, wann der adaptive Algorithmus 175 beruhend auf dem Ermitteln, wann die HFR-basierte RH-Schätzung des Einlasses gültig ist, den RH-Rohrwert 145 modifizieren kann. Die Freigabe des Adaptierens 190 gibt den adaptiven Algorithmus 175 mittels eines Freigabesignals 195 frei. Die Freigabe des Adaptierens 190 kann den adaptiven Algorithmus 175 stoppen, wenn sich ein Lastwert 200 oder das Ventilsignal 155 schnell ändern. Wenn weiterhin ein Stapeltemperaturwert 205 zu niedrig ist oder wenn ein Stapelüberflutungswert 210 anzeigt, dass der Stapel zu nass ist, dann kann die Freigabe des Adaptierens 190 den adaptiven Algorithmus 175 stoppen.
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Ein Wasserpuffermodell 191 (WBM) ist ein Algorithmus, der durch Heranziehen des RH-Werts 180 des Stapeleinlasses und Festlegen, wie viel Wasser dem Stapel 20 zuzugeben ist, um den endgültigen RH-Wert 170 zu erreichen, einen Wasserwert 193 ausgibt. Das Steuergerät 110 verwendet den Wasserwert 193, um der trockenen Luft 47 eine Wassermenge zuzugeben, um die RH des Stapels 20 zu ändern.
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Eine Verzögerung des HFR-Werts 120 ist ein dynamisches Problem bei Fahrzyklen mit großen Übergängen zwischen Leerlauf und 75% bis maximale Leistung. Die Verzögerung wirkt sich nicht signifikant auf typische Fahrzyklen wie etwa Stadt- und Autobahnzyklen nach Vorgabe der Environmental Protection Agency (EPA, US-amerikanische Umweltschutzbehörde) aus, da diese Zyklen Zyklen niedriger Leistung sind. Der Stapel 20 arbeitet aufgrund einer langsamen Wärmereaktion nass, wenn eine niedrige Leistungsforderung vorliegt und weniger Wärme erzeugt wird. Am Ende des Fahrzyklus erreicht der Betrieb Leerlaufnähe, wo die Verzögerung des HFR-Werts 120 groß ist. Somit verschlechtert die Kombination aus dem Nassarbeiten des Stapels 20 und dem Übergang zu Leerlauf die Verzögerung noch mehr. Das Ventil 55 wird verwendet, um das Umgehungsverhältnis (α) zu schätzen. Der Kern der Lösung des Verzögerungsproblems besteht darin, das Ventil 55 stromaufwärts zu berücksichtigen, das das Ventilsignal 155 ändert, wenn sich das Umgehungsverhältnis (α) ändert, um die Genauigkeit des endgültigen RH-Werts 170 zu verbessern. Wenn der Stapel 20 zum Beispiel bei niedrigen Luftströmungen (Leerlauf) arbeitet und der Stapel 20 anzeigt, dass er hydriert ist, ist der HFR-Wert 120 niedrig. Wenn dagegen die Stellung des Ventils 55 anzeigt, dass die gesamte Luftströmung um die CHU 65 umgeleitet wird (d. h. α = 0), dann kann die Mischluft 80 trocken sein und der Einlass des Stapels 20 trocknet mit der Zeit aus und kann schließlich zu einer Änderung des HFR-Werts 120 führen.
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Das CHU-Modell
115 nutzt das Umgehungsverhältnis (α), um die RH der Mischluft
80 zu ermitteln. Weiterhin kann das CHU-Modell
115 Parameter aufweisen, die beruhend auf dem RH-Wert
180 des Stapeleinlasses des Stapels
20 online adaptiert werden können. Es wird das CHU-Modell
115 genutzt, das die RH der Mantelseite
95 und der Rohrseite
60 als Gleichgewichtsbeziehung verknüpft, die nachstehend in Gleichung 1 gezeigt ist:
wobei ε eine Gleichgewichtsbeziehung ist, die eine Funktion von Luftdurchsatz ist, um bei hohen Luftdurchsätzen eine niedrige ”Effektivität” der CHU
65 zu berücksichtigen. Die Gleichgewichtsbeziehung kann für das CHU-Modell
115 kalibriert werden und darf sich über Zeit nicht verschlechtern. Das Umgehungsverhältnis (α) kann beruhend auf Ventilbefehlen und nicht auf Ventilstellungsrückmeldungen berechnet werden.
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Der adaptive Algorithmus
175 kann den CHU-Parameter (
e(m)Luft) für unterschiedliche Strömungsbedingungen schätzen, so dass eine Schätzung des CHU-Modells
115 eine Referenz-RH des Einlasses abstimmt, wenn der Stapel
20, wenn der HFR-Wert
120 vertrauenswürdig ist. Im Wesentlichen kann der adaptive Algorithmus (ε)
175 die folgende Optimierung lösen, die sich in der nachstehenden Gleichung 2 findet:
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Die Optimierung wird in Bins unterteilt, die sich über niedrige und hohe Durchsätze erstrecken. Dieses Optimierungsproblem wird online mittels eines PIA-Algorithmus gelöst. Bezüglich der Luftströmungsbeschränkungen (Kv) in dem System oder durch Lernen von Ventil Kv in einem Anodensubsystem und Modifizieren desselben für CHU-Adaption wird eine Annahme getroffen.
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Das Steuergerät 110 arbeitet mit der ersten Vorrichtung 220 und der zweiten Vorrichtung 225 zusammen, um das Ventilsignal 155 und den HFR-Wert 120 zu empfangen. Das Steuergerät 110 arbeitet entweder elektrisch, optisch, drahtlos oder mechanisch mit der ersten Vorrichtung 220 und der zweiten Vorrichtung 225 zusammen. Das Steuergerät 110, das mindestens einen (nicht gezeigten) Prozessor und ein (nicht gezeigtes) computerlesbares Medium umfasst, so dass Befehle, die in dem computerlesbaren Medium gespeichert sind, von dem mindestens einen Prozessor ausgeführt werden, um durch Änderungen der Stellung des Ventils 55 eine RH von mehreren Brennstoffzellen beruhend auf mindestens einem von Ventilsignal 155 und HFR-Wert 120 zu steuern.
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4 veranschaulicht das CHU-Modell 115, das das Ventil 55 moduliert, um die RH des Stapels 20 anzupassen. Siehe 2 und 3. Eine CHU-Modelldarstellung 252 zeigt das CHU-Modell 115, das sowohl den RH-Wert 180 des Stapeleinlasses als auch den RH-Wert 130 des Stapelauslasses rein nur beruhend auf dem HRF-Wert 120 schätzt und ein Ventilbefehlssignal 250 zu dem Ventil 55 sendet, um die RH des Stapels 20 anzupassen. Eine adaptive CHU-Modelldarstellung 254 zeigt das CHU-Modell 115, das sowohl den RH-Wert 180 des Stapeleinlasses als auch den RH-Wert 130 des Stapelauslasses beruhend auf dem HFR-Wert 120 schätzt und den adaptiven Algorithmus 175 verwendet, um die RH des Stapels 20 zu ermitteln, und ein Ventilbefehlssignal 250 zu dem Ventil 55 sendet, um die RH des Stapels 20 anzupassen.
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4 veranschaulicht ferner ein stabiles Ventilbefehlssignal 250 unter Verwenden des adaptiven Algorithmus 175 statt des Verwendens des CHU-Modells 115 als eigenständiger Algorithmus. Weiterhin kann der adaptive Algorithmus 175 die Wirkung der Verzögerung auf das Ventilbefehlssignal 250 reduzieren, wie durch das Fehlen von extremen Ventilbefehlssignalen 250 gezeigt wird, wie durch ein erstes Abfallen 255, ein zweites Abfallen 260 und einen Scheitelpunkt 265 veranschaulicht ist. Das erste Abfallen 255 und das zweite Abfallen 260 veranschaulichen, wo das CHU-Modell 115 den tatsächlichen RH-Wert des Stapels 20 einholt und über den tatsächlichen Wert mit dem Scheitelpunkt 265 hinausschießt.
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Der adaptive Algorithmus 175 kann die Möglichkeit für ein Austrocknen der PEM des Stapels reduzieren und kann eine Verbesserung beim Verhindern von Austrocknen zeigen. Das Ventilbefehlssignal 250 für das Ventil 55 ist gleichmäßig und kann eine Ermüdung der Ausrüstung reduzieren und eine längere Lebensdauer fördern. Während eines Kathodenspülens kann das Steuergerät 110 zum Beispiel versuchen, die RH des Stapels 20 auf einen RH-Wert von etwa 35% Feuchte zu bringen. Ohne Unterstützen des CHU-Modells 115 durch den adaptiven Algorithmus 175 kann der Stapel 20 einen RH-Wert von 20% erreichen und kann den Stapel 20 stark austrocknen. Wenn der adaptive Algorithmus 175 das CHU-Modell 115 unterstützt, hält der Stapel 20 den RH-Wert von 35% aufrecht. Wenn weiterhin die Fluktuation des Ventilbefehlssignals 250 während des normalen Fahrzyklus stark reduziert sein kann.
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Das CHU-Modell 115 schießt aufgrund der Verzögerung des HFR-Werts 120 über den erwünschten Steuerpunkt hinaus. Dies tritt aufgrund der schnellen Transienten in dem Fahrzyklus und der Zeitdauer auf, die benötigt wird, bis der HFR-Wert 120 eine Änderung der RH des Stapels 20 von 2 registriert. Die Seite des CHU-Modells 115 veranschaulicht bei dem nassen Oberschießen (0% Umgehung der Wasserdampftransfereinheit (WVT), das bei dem ersten Abfallen 255 und dem zweiten Abfallen 260 auftritt, und das Austrocknen (gesättigte Umgehung, 75% WVT), das bei dem Scheitelpunkt 265 auftritt. Die Seite des adaptiven Algorithmus 175 von 5 veranschaulicht den gleichen Fahrzyklus ohne das extreme Abweichen des Ventilsignals 155.
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Zu beachten ist, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht genutzt werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale ausschlaggebend, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, aber nicht genutzt werden müssen. Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird analog festgestellt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hierin genutzt wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine ”Vorrichtung” nach der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle sowie eine größere Struktur (etwa ein Fahrzeug) umfassen, die eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe nach der vorliegenden Erfindung enthält. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird zudem hierin verwendet, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem quantitativen Vergleich, einem quantitativen Wert, einer quantitativen Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Somit kann es den Grad darstellen, um den eine quantitative Darstellung von einem genannten Referenzwert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden interessierenden Gegenstands zu führen.
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Nach erfolgter ausführlicher Beschreibung der Erfindung und unter Verweis auf bestimmte Ausführungsformen derselben, versteht sich, dass Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen. Auch wenn im Einzelnen einige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, soll die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt sein.
