DE102014102814A1

DE102014102814A1 - Systeme und Verfahren zum Vorhersagen von Polarisationskurven in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014102814A1
Application number: DE102014102814.7A
Authority: DE
Inventors: Derek R. Lebzelter; Sriram Ganapathy; Daniel T. Folmsbee
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: US8920995B2; CN104051755A; DE102014102814B4; CN104051755B; US20140272652A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren, die verwendet werden können, um eine Leistungsmetrik einer Brennstoffzelle vorherzusagen. Ein System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann Sensoren in Kommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel, ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem und ein Steuerungssystem umfassen. Das Leistungsmetrik-Vorhersagesystem kann eine Stromdichte auf der Basis von Eingängen, die von den Sensoren bereitgestellt werden, bei einer Vielzahl von Zeitspannen bestimmen, einen ersten Parameter berechnen, während die Stromdichte unter einer unteren Schwelle liegt, und einen zweiten Parameter berechnen, während die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt. Der erste Parameter und der zweite Parameter können verwendet werden, um selektiv eine Brennstoffzellen-Polarisationskurve mit der Zeit anzupassen. Auf der Basis der Polarisationskurve kann eine Leistungsmetrik des Brennstoffzellenstapels vorhergesagt werden. Das Steuerungssystem kann eine Steuerungsaktion auf der Basis der Leistungsmetrik umsetzen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Vorhersagen einer Brennstoffzellenstapelleistung. Im Spezielleren, aber nicht ausschließlich, betrifft diese Offenbarung Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer oder mehrerer Leistungsmetriken, die verwendet werden kann/können, um Parameter für eine erhöhte Effizienz und Leistungsoptimierung eines Brennstoffzellenstapels anzupassen.
HINTERGRUND
Personenkraftwagen können Brennstoffzellen(FC, vom engl. fuel cell)-Systeme umfassen, um bestimmte Einrichtungen von elektrischen und Kraftübertragungssystemen eines Fahrzeuges zu betreiben. Ein FC-System kann z. B. in einem Fahrzeug verwendet werden, um elektrische Kraftübertragungskomponenten des Fahrzeuges direkt (z. B. elektrische Antriebsmotoren und dergleichen) und/oder über ein dazwischengeschaltetes Batteriesystem zu betreiben. Ein FC-System kann eine einzige Zelle umfassen oder kann alternativ viele Zellen umfassen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind.
Wasserstoff ist ein möglicher Brennstoff, der in einem FC-System verwendet werden kann. Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff und kann verwendet werden, um effizient Elektrizität in einer 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 können selektiv über den Elektrolyt hinweg geleitet werden. 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. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen („PEMFC”, von proton exchange membrane fuel cells) können in FC-Fahrzeugen verwendet werden. Eine PEMFC umfasst allgemein eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Eine Anode und eine Kathode, die in einer PEMFC enthalten sind, können fein verteilte katalytische Partikel wie z. B. Platin (Pt) umfassen, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Eine katalytische Mischung kann auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen sein.
Die Leerlaufspannung eines typischen FC-Stapels kann über die Lebensdauer des FC-Stapels abnehmen. Eine Spannungsdegradation kann unter anderem auf die zyklische Spannungswechselbeanspruchung der FCs in dem Stapel zurückgeführt werden. Eine zyklische Spannungswechselbeanspruchung findet statt, wenn die Platinkatalysatorpartikel, verwendet werden, um den elektrochemischen Reaktionsübergang zwischen einem Nieder- und einem Hochpotential-Zustand zu verbessern. Der wiederholte Übergang der Katalysatorpartikel begünstigt die Auflösung der Partikel. Die Auflösung der Partikel hat eine Abnahme der aktiven Oberfläche der Partikel und eine Leistungsdegradation zur Folge.
Viele Faktoren einschließlich der Stapel-Spitzenspannung, der Temperatur, der Stapelbefeuchtung, der Dynamik der zyklischen Spannungswechselbeanspruchung etc. können die relative Abnahme der Oberfläche der Platinpartikel im Zusammenhang mit der zyklischen Spannungswechselbeanspruchung beeinflussen. Niedrigere Stapelspannungs-Sollwerte können einen größeren Schutz gegen eine Degradation bieten, aber höhere Stapelspannungs-Sollwerte können eine erhöhte Systemeffizienz bereitstellen.
Eine feste Spannung kann verwendet werden, um ein minimales Stapelleistungsniveau festzulegen, um eine unerwünschte zyklische Spannungswechselbeanspruchung zu verhindern. Beispielsweise kann eine typische Spannungsunterdrückungsstrategie einen festen Spannungs-Sollwert verwenden. Wenn ein Brennstoffzellenleistungs-Steuergerät keine Leistung benötigt oder eine minimale Leistung benötigt, kann die von dem Stapel erzeugte Leistung, die notwendig ist, um Zellenspannungsniveaus bei oder unter dem festen Spannungs-Sollwert zu halten, an bestimmte Systeme oder Komponenten bereitgestellt werden, wo die Leistung verwendet oder abgeführt wird. Überschüssige Leistung kann z. B. verwendet werden, um eine Hochspannungsbatterie in einem Fahrzeug mit einem FC-System aufzuladen. Wenn der Spannungs-Sollwert bei einer relativ niedrigen Spannung liegt, kann das System die Batterie häufig aufladen, was zur Folge haben kann, dass die Batterieladung öfter bei ihrer maximalen Ladung liegt als es der Fall wäre, wenn der Spannungs-Sollwert bei einem niedrigeren Niveau eingestellt ist. Wenn sich die Batterie bei ihrer maximalen Ladung befindet und nicht mehr Ladeleistung von dem FC-System aufnehmen kann, kann das Steuergerät bewirken, dass die überschüssige Leistung in anderen Komponenten wie z. B. Widerständen abgeführt wird. Wenn überschüssige Leistung mit Widerständen abgeführt wird, kann die Systemeffizienz darunter leiden. Demzufolge kann das Festlegen eines optimalen Sollwerts die Effizienz eines FC-Stapels verbessern.
In einem FC-Stapel können mehrere FCs kombiniert sein, um einen gewünschten Leistungsausgang zu produzieren. Der FC-Stapel kann ein Kathodeneingangsgas aufnehmen, das eine Luftströmung umfassen kann, die durch einen Kompressor durch den Stapel hindurch gezwungen wird. Kathodenabgas kann Wasser als ein Stapelnebenprodukt zusammen mit unverbrauchtem Sauerstoff und anderen Gasen umfassen.
Die Strom/Spannung-Beziehung des Stapels kann daher als eine Polarisationskurve bezeichnet werden. Ein Stapel-Steuergerät kann Informationen über die Polarisationskurve verwenden, um die Lieferung von Reaktanden an das FC-System in Übereinstimmung mit dem Leistungsbedarf zu planen. Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels kann nicht-linear sein und kann durch viele Variable einschließlich der Stapeltemperatur, Stapelpartialdrücke und Kathoden- und Anoden-Stöchiometrien beeinflusst werden. Außerdem kann sich die Beziehung zwischen FC-Stapelstrom und -spannung mit der Zeit ändern, wenn die Stapelleistung degradiert. Anders ausgedrückt kann ein älterer FC-Stapel niedrigere Zellenspannungen aufweisen und es kann demzufolge sein, dass ein älterer FC-Stapel mehr Strom bereitstellen muss als ein neuer, nicht degradierter Stapel, um einen gleichwertigen Leistungsausgang zu produzieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Hierin sind verschiedene Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer oder mehrerer Leistungsmetriken eines FC-Systems offenbart. Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen können die Leistungsmetriken verwendet werden, um Parameter des FC-Systems für eine erhöhte Effizienz und Leistungsoptimierung anzupassen. Ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem kann eine Vielzahl von Eingängen von einer Vielzahl von Sensoren empfangen. Die Eingänge können Informationen bezüglich einer Vielzahl von Betriebsbedingungen umfassen, die dem FC-System zugehörig sind. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können auf der Basis der Eingänge verschiedene Arten von Information gemessen, berechnet oder abgeschätzt werden. Die Eingänge können verwendet werden, um bestimmte Parameter zu berechnen. Gemäß einer Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann ein Parameter bestimmt werden, wenn sich das System bei einer hohen Stromdichte befindet, und ein anderer kann bestimmt werden, wenn sich das System bei einer geringen Stromdichte befindet.
Ein FC-Steuerungssystem kann eine oder mehrere Leistungsmetriken verwenden, um Steuerungsaktionen umzusetzen, die einem FC-System zugeordnet sind. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Leistungsmetriken verwendet werden, um Leistungsdaten des FC-Systems zu optimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Leistungsmetriken Parameter umfassen, die einer Polarisationskurve zugehordnet sind. Die Leistungsmetriken können mit der Zeit angepasst werden, um eine erhöhte Leistung des FC-Systems zu erzielen.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem ausgestaltet sein, um selektiv Stromdichtemessungen während Zeitspannen zu verwerfen, in denen eine Temperaturmessung unter einer spezifizierten Schwelle liegt. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Kühlmitteltemperatur gemessen werden, da die Kühlmitteltemperatur für eine FC-Stapeltemperatur bezeichnend sein kann. Bestimmte FC-Systeme in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung können wiederholbare Betriebsbedingungen bei einer gegebenen Stromdichte aufweisen, sobald der FC-Stapel über einer bestimmten Temperatur arbeitet. In diesen Fällen kann die Spannung ungefähr als eine Funktion des Alters und der Stapelstromdichte beschrieben werden, die im Hinblick auf die anpassbaren Parameter ausgedrückt wird. Datenwerte, die gesammelt werden, wenn ein FC-Stapel bei einer Temperatur arbeitet, können gemäß einigen Ausführungsformen verworfen werden, da Leistungsabschätzungen auf der Basis solcher Daten suboptimal sein können.
Bestimmte Ausführungsformen können ein Fehlererkennungssystem in Verbindung mit einer Vielzahl von elektrischen Sensoren umfassen. Das Fehlererkennungssystem kann ausgestaltet sein, um einen Störzustand auf der Basis eines Einganges von einem oder mehreren der Vielzahl von elektrischen Sensoren zu erkennen. Das Fehlererkennungssystem kann verwendet werden, um Fehler zu erkennen, welche Sensoren zugeordnet sind, die z. B. eine Stromdichte, eine Kühlmitteltemperatur, eine Bedeckung mit Platinoxid, eine Spannung oder einen beliebigen anderen Parameter messen, welche für die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Verfahren relevant sein können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Mit Bezugnahme auf die Fig. sind nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, welche verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung umfassen, wobei:
1A ein funktionelles Blockdiagramm eines exemplarischen Fahrzeugsystems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert.
1B ein Beispiel einer FC-Polarisationskurve in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert.
2 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Vorhersagen von Leistungsmetriken eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert.
3 ein Blockdiagramm eines Systems zum Bestimmen eines oder mehrerer Parameter eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert.
4 ein funktionelles Blockdiagramm eines FC-Steuercomputer-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen illustriert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, ist die Offenbarung auf keine Ausführungsform beschränkt, sondern schließt vielmehr zahlreiche Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente ein. Außerdem, während in der nachfolgenden Beschreibung viele spezifische Details dargelegt sind, um ein gründliches Verständnis der hierin offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können einige Ausführungsformen ohne einige oder alle dieser Details ausgeführt werden. Überdies wurde der Klarheit wegen bestimmtes technisches Material, das auf dem technischen Gebiet bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ehe unnötige Verkomplizierung der Offenbarung zu vermeiden.
Die Ausführungsformen der Offenbarung sind am besten durch Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sein können. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, wie in den Fig. hierin allgemein beschrieben und illustriert, könnten in einer großen Vielfalt verschiedener Ausgestaltungen eingerichtet und ausgeführt sein. Daher soll die folgende detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung den Schutzumfang der Offenbarung, wie beansprucht, nicht einschränken, sondern ist vielmehr repräsentativ für mögliche Ausführungsformen der Offenbarung. Außerdem müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in irgendeiner spezifischen Reihenfolge oder sogar hintereinander ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern nicht anders angegeben.
Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren können verwendet werden, um einen oder mehrere Parameter eines FC-Systems zu bestimmen, welche einen maximalen Stromausgang, Parameter, die sich auf die Planung von Stromanforderungen beziehen, Parameter, die sich auf den Betrieb einer Spannungsunterdrückung beziehen, etc. umfassen. In bestimmten Ausführungsformen können die Systeme und Verfahren einen Polarisationskurven-Prädiktor verwenden. Der Polarisationskurven-Prädiktor kann gemessene und/oder vorhergesagte Eingänge verwenden, um anpassbare Parameter zu optimieren. Die Eingänge können auf Messungen und/oder Berechnungen basieren, die dem FC-System zugehörig sind. Die Eingänge können an oberen und unteren Schwellen der Stromdichte erfasst werden und können verwendet werden, um die FC-Polarisationskurve selektiv mit der Zeit anzupassen.
1A illustriert ein funktionelles Blockdiagramm eines exemplarischen Fahrzeugsystems 100 in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Das Fahrzeugsystem 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder jede beliebige andere Art von Fahrzeug sein. Außerdem können Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung in ein Brennstoffzellensystem eingebaut werden, das zur Verwendung außerhalb von Fahrzeuganwendungen geeignet ist, wie für Fachleute einzusehen wäre. Das Fahrzeug 100 kann einen FC-Stapel 102 umfassen, der in bestimmten Ausführungsformen mit einem Hochspannungs(„HV”, vom engl. high voltage)-Batteriesystem (nicht gezeigt) gekoppelt sein kann. Das HV-Batteriesystem kann verwendet werden, um elektrische Kraftübertragungskomponenten zu betreiben. In weiteren Ausführungsformen kann der FC-Stapel 102 mit einer Niederspannungsbatterie gekoppelt sein und kann ausgestaltet sein, um elektrische Energie an eine Vielfalt von Fahrzeug 100-Systemen zu liefern, die z. B. Fahrzeugstartersysteme (z. B. einen Startermotor), Lichtanlagen, Zündanlagen, automatische Klimaanlagen und dergleichen umfassen.
Der FC-Stapel 102 kann ein FC-Steuerungssystem 104 umfassen. Das FC-Steuerungssystem 104 kann ausgestaltet sein, um bestimmte Funktionen des FC-Stapels 102 zu überwachen und zu steuern. Das FC-Steuerungssystem 104 kann z. B. ausgestaltet sein, um anpassbare Leistungsparameter und Spannungsunterdrückungsfunktionen des FC-Stapels 102 zu überwachen und zu steuern. In bestimmten Ausführungsformen kann das FC-Steuerungssystem 104 kommunikativ mit einer Vielzahl von Sensoren 106 (z. B. Spannungssensoren, Stromsensoren und/oder dergleichen) und/oder anderen Systemen gekoppelt sein, die ausgestaltet sind, um es dem FC-Steuerungssystem 104 zu ermöglichen, Funktionen des FC-Stapels 102 zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise kann die Vielzahl von Sensoren 106 in Kommunikation mit dem FC-Stapel 102 das FC-Steuerungssystem 104 mit Informationen versorgen, die verwendet werden können, um eine Polarisationskurve abzuschätzen. In bestimmten Ausführungsformen kann das FC-Steuerungssystem 104 ausgestaltet sein, um jede Zelle 114 einzeln zu überwachen. Das FC-Steuerungssystem 104 kann ferner ausgestaltet sein, um Informationen an andere in dem Fahrzeug 100 enthaltenen Systeme bereitzustellen und/oder von dort zu empfangen. Das FC-Steuerungssystem 104 kann z. B. kommunikativ mit einem internen Fahrzeug-Computersystem 108 und/oder einem externen Computersystem 110 (z. B. über ein drahtloses Telekommunikationssystem oder dergleichen) gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das FC-Steuerungssystem 104 zumindest teilweise ausgestaltet sein, um Informationen bezüglich des FC-Stapels 102 an einen Benutzer des Fahrzeuges 100, das Fahrzeug-Computersystem 108 und/oder das externe Computersystem 110 bereitzustellen – Solche Informationen können z. B. einen maximalen Leistungsausgang unter spezifischen Betriebsbedingungen, eine Kühlmitteltemperatur, Sensordefekte und/oder beliebige andere Informationen bezüglich des FC-Stapels 102 umfassen.
1B illustriert einen Graph, der zwei exemplarische Polarisationskurven zeiht. Die horizontale Achse 124 zeigt die FC-Stapel-Stromdichte und die vertikale Achse 122 zeigt die FC-Stapel-Spannung. Jede Brennstoffzelle innerhalb eines FC-Stapels kann eine andere Polarisationskurve zeigen. Die Polarisationskurve 128 kann für die Polarisationskurve der Brennstoffzelle stehen, welche eine niedrige Zellenspannung (z. B. die niedrigste Zellenspannung) aufweist, während die Polarisationskurve 126 für eine Polarisationskurve einer durchschnittlichen Brennstoffzelle stehen kann. Für jede Zelle kann ein maximaler Leistungsausgang bestimmt werden. Der Punkt 130 steht für die maximale Leistung, die von der durchschnittlichen Zelle in dem FC-Stapel verfügbar ist, während der Punkt 132 für die maximale Leistung steht, die von der Zelle mit der niedrigen Zellenspannung verfügbar ist. Der Strom, der dem Punkt 132 entspricht, ist bei 134 dargestellt, und die Spannung ist bei 138 dargestellt. Ähnlicherweise ist der Strom, der dem Punkt 130 entspricht, bei 136 dargestellt, und die Spannung ist bei 140 dargestellt.
Die Polarisationskurven 126, 128 können auf der Basis einer Anzahl von Parametern mathematisch beschrieben werden. Die Parameter können mithilfe einer Vielfalt von hierin beschriebenen Verfahren, Berechnungen und Techniken bestimmt werden. Infolge von Änderungen bei den Parametern können die Steigung, die Konkavität, Wendepunkte und andere Merkmale der Polarisationskurven 126, 128 angepasst werden. Solche Anpassungen können Abschätzungen eines physikalischen Systems verbessern, das durch die Polarisationskurven 126, 128 modelliert wird.
2 illustriert ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Vorhersagen von Leistungsmetriken eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Das illustrierte Verfahren 200 kann mithilfe zumindest teilweise eines Fahrzeug-Computersystems, eines externen Computersystems, eines FC-Steuerungssystems, eines analogen und/oder digitalen Filtersystems und/oder eines beliebigen anderen geeigneten Systems einschließlich der in Bezug auf die 1A, 3 und 4 beschriebenen Systeme ausgeführt werden.
Das Verfahren 200 beginnt bei 202. Bei 204 können eine oder mehrere Leistungsmetriken, welche einem FC-Stapel zugehörig ist/sind, vorhergesagt werden. Eine anfängliche Vorhersage kann auf historischen Daten basieren. Bei 206 können relevante Sensoren validiert werden, und wenn irgendwelche Sensoren einer Störung zugeordnet werden, kann dies zur Folge haben, dass das Verfahren 200 bei 210 keine Anpassung von Parametern vornimmt. Wenn keine Sensoren einer Störung zugeordnet sind, kann das FC-System bei 208 eine Kühlmitteltemperatur messen, um zu bestimmen, ob sie über der entsprechenden Schelle liegt. Wenn die Kühlmitteltemperatur nicht über der spezifizierten Schwelle liegt, können Parameter bei 210 nicht angepasst werden, da bestimmte Vorhersagen genauer sein können, wenn sie auf Daten basieren, die Temperaturmessungen über einer Schwelle zugehörig sind. Wenn die Temperaturmessungen über der Schwelle liegen, kann das FC-System bei 212 eine Stromdichte auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen bei einer Vielzahl von Zeitspannen bestimmen.
Bei 214 kann eine Stromdichte mit einer unteren Schwelle verglichen werden und mit einer oberen Schwelle verglichen werden. Wenn sich bei 214 herausstellt, dass die Stromdichte über der unteren Schwelle und unter einer spezifizierten oberen Schelle liegt, können Parameter bei 210 nicht angepasst werden. Anders ausgedrückt kann, wenn die Stromdichte zwischen der unteren Schwelle und der oberen Schwelle liegt, die Messung verworfen werden.
Wenn eine Stromdichte bei 216 unter der unteren Schwelle liegt, kann das Verfahren 200 zu 220 fortschreiten. Bei 220 kann das Verfahren 200 bestimmen, ob eine Platinoxidations-Bedeckung eine spezielle Schwelle überschreitet. Die Platinoxid-Bedeckung kann in bestimmten Ausführungsformen verwendet werden, da ein hoher Wert einen stabilen Betrieb bei geringen Stromdichten anzeigen kann. Wenn die Platinoxid-Bedeckung bei 220 über einer spezifizierten oberen Schwelle liegt, kann bei 222 ein Massenaktivitätsparameter berechnet werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Massenaktivitätsparameter mithilfe von Gl. 1 berechnet werden.
wobei

E_rev: das thermodynamisch reversible Potential unter Referenzbedingungen ist;
η_HOR: das Wasserstoff-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist;
V_cell: die mittlere Zellenspannungsrückkopplung ist;
i: die Stapelstromdichte ist;
R_HFR: der Stapel-HFR-Durchschnitt ist;
R_PT: der Protonenwiderstand in der Elektrode ist;
R SS / MT: der Stoffaustauschkoeffizient ist; und
V_transient: der transiente Korrekturspannungsfaktor ist.

Auf der Basis der bei 214 und 216 vorgenommenen Bestimmungen erfolgt die Berechnung des Massenaktivitätsparameters während einer ersten Zeitspanne, in der die Stromdichte unter einer Schwelle liegt. Der Massenaktivitätsparameter kann verwendet werden, um eine prädiktive Massenaktivität bei 224 mit der berechneten Massenaktivität anzupassen.
Wenn die Stromdichte bei 216 über der oberen Schwelle liegt, kann das Verfahren 200 zu 218 fortschreiten. Bei 218 kann das Verfahren 200 bestimmen, ob eine Platinoxidations-Bedeckung eine spezielle Schwelle überschreitet. Wenn sich bei 218 herausstellt, dass die Platinoxid-Bedeckung über einer spezifizierten Schwelle liegt, können bei 230 Parameter nicht angepasst werden. Wenn die Platinoxid-Bedeckung unter der Schwelle liegt, kann das Verfahren 200 zu 226 fortschreiten, wobei ein Stoffaustauschkoeffizient auf der Basis der Zellenspannung und der Betriebsbedingungen berechnet werden kann. Da bei hohem Strom die Dauerbetriebsspannung bei einer niedrigen Platinoxidkonzentration gemessen wird, muss die abgeschätzte Platinoxidkonzentration niedrig sein, damit eine Anpassung stattfindet. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Stoffaustauschkoeffizient mithilfe von Gl. 2 bestimmt werden. R Raw / MT = (E_rev – V_cell – η_HOR – η filtd / ORR + V_transient)· 1000 / i – (R_HFR + R_PT) Gl. 2 wobei

E_rev: das thermodynamische reversible Potential bei Referenzbedingungen ist;
V_cell: die mittlere Zellenspannungsrückkopplung ist;
η filtd / ORR: das Wasserstoff-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist;
η_HOR: das Kathodenoxidations-Reduktions-Überpotential ist;
i: die Stapelstromdichte ist;
R_HFR: der Stapel-HFR-Durchschnitt ist;
R_PT: der Protonenwiderstand in der Elektrode ist;
R Raw / MT: der Stoffaustauschkoeffizient ist; und
V_transient: der transiente Korrekturspannungsfaktor ist.

Das System kann dann bei 228 den prädiktiven Stoffaustauschkoeffizienten mit dem berechneten Stoffaustauschkoeffizient anpassen. Auf der Basis der bei 214 und 216 vorgenommenen Bestimmung kann der bei 226 berechnete Wert auf Messungen basieren, die während einer Zeitspanne beschafft werden, in der die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt.
Zurückkommend auf 204 kann eine Leistungsmetrik vorhergesagt werden, die verwendet werden kann, um Steuerparameter anzupassen und eine Systemleistung zu verbessern. Die Systemleistung kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen durch selektives Umsetzen einer oder mehrerer Steuerungsaktionen auf der Basis der Leistungsmetrik verbessert werden. Eine Steuerungsaktion kann z. B. umfassen, dass eine Leistungsanforderung geplant wird, die Zufuhr von Reaktanden zu einem FC-Stapel geplant wird, ein Sollwert eines Spannungsunterdrückungssystems angepasst wird, etc.
3 illustriert ein Blockdiagramm eines Systems zum Bestimmen eines oder mehrerer Parameter eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen. Das System 300 kann ein Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302, ein Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304, ein Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306, ein FC-Spannung-Abschätzmodul 308 und einen Ausgang 318 umfassen. Das Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 kann eine Vielzahl von Eingängen 310 empfangen. Die Eingänge 310 können eine Kühlmitteleinlasstemperatur, eine Kühlmittelauslasstemperatur, einen Kathodeneinlassdruck, eine Kathodenauslassdruck und ein beliebiges anderes Signal von einer Vielzahl von Sensoren umfassen, die einen Hinweis auf Stapelspannungs- und -strom-Kenndaten bereitstellen können.
Das Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 kann eine Vielzahl von Ausgängen erzeugen, die als Eingänge in das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304, das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 und das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 dienen. Die Ausgänge von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 können unter anderem Berechnungen aktueller Partialdrücke, eine Gleichgewichtsspannung, eine Austauschstromdichte für die Wasserstoffoxidation und eine äquivalente katalytische Erwärmung infolge der Hinzufügung von Wasserstoff zu der Kathode, eine Stromdichte und eine Vielfalt anderer Parameter umfassen.
Das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 kann Eingänge von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 und von anderen Quellen empfangen. Die Eingänge 312 können für Eingänge 312 von anderen Quellen als dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 stehen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eingänge Sensoreingänge, konstante Werte und Werte, die von anderen Modulen, welche in 3 nicht illustriert sind, berechnet werden, und dergleichen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Eingänge 312 alle der Eingänge 310 und/oder eine Untergruppe der Eingänge 310 umfassen. Die Eingänge 312 können Stromdichteschwellen, Temperaturschwellen und beliebige andere Parameter oder Konstanten umfassen, die von dem Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 verwendet werden können, sind aber nicht darauf beschränkt.
Unter Verwendung der Eingänge 312, eines Einganges von dem Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 und bestimmten Ausgängen von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 kann das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 eine Abschätzung eines Massenaktivitätsparameters erzeugen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann der Massenaktivitätsparameter unter Verwendung von Gl. 1 berechnet werden, wie oben im Detail ausgeführt. Des Weiteren kann das Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 auch ein gewichtetes Mittelwertschema enthalten, um gemäß einigen Ausführungsformen den Massenaktivitätsparameter als ein Maß der Degradation zu bestimmen. Das gewichtete Mittelwertschema kann auf der Basis bestimmter Eingänge selektiv aktiviert oder deaktiviert werden.
Das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 kann Eingänge von dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302, dem Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul 304 und von anderen Quellen 314 empfangen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Eingänge 314 Sensoreingänge, konstante Werte und Werte, die von anderen Modulen, welche in 3 nicht illustriert sind, berechnet werden, und dergleichen umfassen. In einigen Ausführungsformen können die Eingänge 314 die Eingänge 310, die Eingänge 312 und/oder eine Untergruppe der Eingänge 310 oder der Eingänge 312 umfassen. Das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 kann Berechnungen durchführen, um eine Abschätzung eines Stoffaustauschkoeffizienten zu erzeugen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Stoffaustauschkoeffizient auch ein gewichtetes Mittelwertschema enthalten, um den Stoffaustauschkoeffizienten als ein Maß der Degradation zu bestimmen. Das Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306 basiert auf einem Eingang 314.
Das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 kann Eingänge von dem Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul 306, dem Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul 302 und von anderen Quellen empfangen. Die Eingänge 316 können Sensoreingänge, konstante Werte und Werte, die von Modulen, welche in 3 nicht gezeigt sind, berechnet werden, und dergleichen umfassen. Die Eingänge 316 können die Eingänge 310, die Eingänge 312, die Eingänge 314 und/oder eine Untergruppe der Eingänge 310, der Eingänge 312 und/oder der Eingänge 314 umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung kann das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 eine Abschätzung einer FC-Spannung berechnen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das FC-Spannung-Abschätzmodul 308 eine Zellenspannung-Rohabschätzung unter Verwendung von Gl. 3 erzeugen.
wobei

E_rev: das thermodynamische reversible Potential bei Referenzbedingungen ist.
η_HOR: das Wasserstoff-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist.
η filtd / ORR: das Kathoden-Oxidations-Reduktions-Überpotential ist.
i: die Stapelstromdichte ist.
R_HFR: der Stapel-HFR-Durchschnitt ist.
R_PT: der Protonenwiderstand in der Elektrode ist.
R SS / MT: der Stoffaustauschkoeffizient ist.
V_transient: der transiente Korrekturspannungsfaktor ist.

Der Ausgang des FC-Spannung-Abschätzmoduls 308 kann mit der Zeit angepasst und verfeinert werden, und demzufolge modelliert die Abschätzung der von dem FC-Spannung-Abschätzmodul 308 erzeugten FC-Spannung die Leistung eines physikalischen Systems genauer, dessen Parameter einen oder mehrere Eingänge 310, 312, 314 und 316 bereitstellen können.
4 illustriert ein Blockdiagramm eines Computer-Systems 400, das bei der Umsetzung bestimmter Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren verwendet werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann das Computer-System 400 ein Personal-Computer-System, ein Servercomputer-System, ein eingebauter Fahrzeug-Computer, ein FC-Steuerungssystem, und/oder eine beliebige andere Art von System sein, welches geeignet ist, um die offenbarten Systeme und Verfahren umzusetzen. In weiteren Ausführungsformen kann das Computer-System 400 ein/e beliebige/s tragbare/s elektronisches Computer-System oder elektronische Vorrichtung einschließlich z. B. eines Notebook-Computers, eines Smartphones und/oder eines Tablet-Computers sein.
Wie illustriert, kann das Computer-System 400 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 402, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 404, eine Kommunikationsschnittstelle 406, eine Benutzerschnittstelle 408 und ein nicht-transitorisches, computerlesbares Speichermedium 410 umfassen. Der Prozessor 402, das RAM 404, die Kommunikationsschnittstelle 406, die Benutzerschnittstelle 408 und das computerlesbare Speichermedium 410 können über einen gemeinsamen Datenbus 412 kommunikativ miteinander gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computer-Systems 400 mittels Hardware, Software, Firmware und/oder einer beliebigen Kombination daraus implementiert werden.
Die Benutzerschnittstelle 408 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen umfassen, die es einem Benutzer gestatten, mit dem Computer-System 400 zu interagieren. Die Benutzerschnittstelle 408 kann z. B. verwendet werden, um einem Benutzer eine interaktive Schnittstelle anzuzeigen. Die Benutzerschnittstelle 408 kann ein separates Schnittstellensystem sein, das kommunikativ mit dem Computer-System 400 gekoppelt ist, oder kann alternativ ein integriertes System wie z. B. eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Benutzerschnittstelle 408 auf einem Touchscreen-Display erzeugt werden. Die Benutzerschnittstelle 408 kann auch eine beliebige Anzahl von anderen Eingabevorrichtungen einschließlich z. B. einer Tastatur, eines Trackballs und/oder Mauszeigervorrichtungen umfassen.
Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die in der Lage ist, mit anderen Computer-Systemen, Peripheriegeräten und/oder anderen Einrichtungen zu kommunizieren, die mit dem Computer-System 400 kommunikativ gekoppelt sind. Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann es z. B. dem Computer-System 400 gestatten, mit anderen Computer-Systemen (z. B. Computer-Systemen, die externen Datenbanken und/oder dem Internet zugeordnet sind) zu kommunizieren, um die Übertragung wie auch den Empfang von Daten von solchen Systemen zuzulassen. Die Kommunikationsschnittstelle 406 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und/oder jede andere geeignete Vorrichtung umfassen, die es dem Computer-System 400 ermöglicht, eine Verbindung mit Datenbanken und Netzwerken, wie z. B. LANs, MANs, WANs und dem Internet herzustellen.
Der Prozessor 402 kann einen oder mehrere Universalprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, FPGAs, andere an Kundenwünsche anpassbare oder programmierbare Verarbeitungsvorrichtungen und/oder (eine) beliebige andere Vorrichtungen oder Anordnung von Vorrichtungen umfassen, die in der Lage sind, die hierin offenbarten Systeme und Verfahren umzusetzen.
Der Prozessor 402 kann ausgestaltet sein, um computerlesbare Anweisungen auszuführen, die in dem nicht-transitorischen, computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert sind. Das computerlesbare Speichermedium 410 kann je nach Wunsch andere Daten oder Informationen speichern. In einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare Funktionsmodule 414 umfassen. Die computerlesbaren Anweisungen können z. B. ein oder mehrere Funktionsmodule umfassen, welche/s ausgestaltet ist/sind, um die gesamte oder einen Teil der Funktionalität der oben beschriebenen Systeme und Verfahren umzusetzen. Spezifische Funktionsmodule, die in dem computerlesbaren Speichermedium 410 gespeichert werden können, umfassen ein Stapelspannungs- und -strom-Kenndatenmodul, ein Massenaktivitätsparameter-Abschätzmodul, ein Stoffaustauschkoeffizient-Abschätzmodul, ein Zellenspannung-Abschätzmodul, ein Batteriesteuermodul und ein Spannungsunterdrückungsmodul.
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können unabhängig von der Programmiersprache, die verwendet wird, um die computerlesbaren Anweisungen zu erzeugen, und/oder jedem auf dem Computer-System 400 arbeitenden Betriebssystem umgesetzt werden. Die computerlesbaren Anweisungen können z. B. in jeder geeigneten Programmiersprache geschrieben sein, wobei Beispiele davon C, C++, Visual C++ und/oder Visual Basic, Java, Perl oder jede andere geeignete Programmiersprache umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Des Weiteren können die computerlesbaren Anweisungen und/oder Funktionsmodule in der Form einer Sammlung von separaten Programmen oder Modulen und/oder einem Programmmodul innerhalb eines größeren Programmes oder eines Abschnitts eines Programmmoduls vorhanden sein. Die Verarbeitung von Daten durch das Computer-System 400 kann in Ansprechen auf Benutzerbefehle, Ergebnisse einer vorhergehenden Verarbeitung oder einer von einer anderen Verarbeitungsmaschine gestellten Anfrage erfolgen. Es wird einzusehen sein, dass das Computer-System 400 jedes geeignete Betriebssystem einschließlich z. B. Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux und/oder dergleichen verwenden kann.

Claims

System zum Vorhersagen einer Leistungsmetrik eines Brennstoffzellen-(FC-)Stapels, wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Sensoren in Kommunikation mit dem FC-Stapel; ein Leistungsmetrik-Vorhersagesystem, welches ausgestaltet ist, um: eine Stromdichte auf der Basis eines Einganges von zumindest einem der Vielzahl von Sensoren bei einer Vielzahl von Zeitspannen zu bestimmen; einen ersten Parameter während einer ersten Zeitspanne zu berechnen, in welcher die Stromdichte unter einer unteren Schwelle liegt; einen zweiten Parameter während einer zweiten Zeitspanne zu berechnen, in welcher die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt; selektiv eine FC-Polarisationskurve mit der Zeit auf der Basis des ersten Parameters und des zweiten Parameters anzupassen; eine Leistungsmetrik des FC-Stapels auf der Basis der FC-Polarisationskurve vorherzusagen; und ein Steuerungssystem, welches ausgestaltet ist, um eine Steuerungsaktion auf der Basis der Leistungsmetrik umzusetzen.
System nach Anspruch 1, wobei das Leistungsmetrik-Vorhersagesystem ferner ausgestaltet ist, um: einen transienten Parameter auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen von der Vielzahl von Sensoren zu messen; und ferner selektiv die Brennstoffzellen-Polarisationskurve auf der Basis des transienten Parameters anzupassen.
System nach Anspruch 2, wobei der transiente Parameter auf einem Platinoxid-Modell basiert.
System nach Anspruch 1, wobei die Leistungsmetrik eine Maximalleistungsabschätzung umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerungsaktion umfasst, dass eine Leistungsanforderung auf der Basis der Leistungsmetrik geplant wird.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Spannungsunterdrückungssystem; und wobei die Steuerungsaktion umfasst, dass ein Spannungsunterdrückungs-Sollwert auf der Basis der Leistungsmetrik festgesetzt wird.
System nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Vielzahl von Sensoren ausgestaltet ist, um eine Kühlmitteltemperatur zu messen, und das Leistungsmetrik-Vorhersagesystem ausgestaltet ist, um selektiv Stromdichtemessungen während Zeitspannen zu verwerfen, in denen die Kühlmitteltemperatur unter der Kühlmitteltemperaturschwelle liegt.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Parameter einen Massenaktivitätsparameter umfasst, der auf der Basis einer zumindest einem der Vielzahl von Sensoren zugeordneten Spannungsmessung berechnet wird.
Verfahren zum Vorhersagen einer Leistungsmetrik eines Brennstoffzellen(FC)-Stapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Vielzahl von Eingängen von einer Vielzahl von Sensoren empfangen wird; eine Stromdichte auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen bei einer Vielzahl von Zeitspannen bestimmt wird; ein erster Parameter während einer ersten Zeitspanne berechnet wird, in welcher die Stromdichte unter einer unteren Schwelle liegt; ein zweiter Parameter während einer zweiten Zeitspanne berechnet wird, in welcher die Stromdichte über einer oberen Schwelle liegt; selektiv eine Brennstoffzellen-Polarisationskurve mit der Zeit auf der Basis des ersten Parameters und des zweiten Parameters angepasst wird; eine Leistungsmetrik des Brennstoffzellenstapels auf der Basis der Brennstoffzellen-Polarisationskurve vorhergesagt wird; und eine Steuerungsaktion auf der Basis der Leistungsmetrik umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass: ein transienter Parameter auf der Basis zumindest eines der Vielzahl von Eingängen von der Vielzahl von Sensoren gemessen wird; und wobei das selektive Anpassen der Brennstoffzellen-Polarisationskurve ferner auf dem transienten Parameter basiert, wobei der transiente Parameter auf einem Platinoxidmodell basiert.