DE102014225044A1

DE102014225044A1 - System und Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels und zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102014225044A1
Application number: DE102014225044.7A
Authority: DE
Inventors: Kwi Seong Jeong; Haeng Jin Ko; Young Bum Kum; Sang Bok Won
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2015-12-17
Also published as: KR20150142715A; KR101592704B1; JP6430209B2; CN105226313B; JP2016001587A; CN105226313A; US9929418B2; US20150362560A1

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels bereitgestellt. Das Verfahren enthält das gleichzeitige Anlegen von Strömen mit einer ersten und einer zweiten Frequenz an einen Brennstoffzellenstapel und das Berechnen von Fourier-Transformationen der Ausgangsströme und -spannungen vom Brennstoffzellenstapel auf Basis der angelegten Ströme. Ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz werden anhand der Amplituden und Phasen der Ströme und Spannungen mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz von den berechneten Ausgangsströmen und -spannungen berechnet. Ferner wird der Zustand des Brennstoffzellenstapels anhand der Größe des berechneten reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und der Größe des berechneten imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz bestimmt.

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Diagnostizieren des Zustand eines Brennstoffzellenstapels und zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels und zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, durch das der Wassergehalt eines Brennstoffzellenstapels, wie ausgetrockneter/überfluteter Zustand (z. B. Wasserabfuhr) anhand der Höhe der Impedanz eines an den Brennstoffzellenstapel gelieferten Stroms mit mehreren Frequenzen bestimmt wird.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Brennstoffzellenfahrzeug enthält einen als Energiequelle dienenden Brennstoffzellenstapel, in dem mehrere Brennstoffzellen kombiniert sind, ein Brennstoffzuführsystem, das dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff zuführt, ein Luftzuführsystem, das Sauerstoff als Oxidans für eine elektrochemische Reaktion zuführt und ein Wasser- und Wärme-Managementsystem, das die Temperatur des Brennstoffzellenstapels regelt. Das Brennstoffzuführsystem entspannt den in einem Wasserstoffbehälter gespeicherten komprimierten Wasserstoff und liefert den entspannten Wasserstoff an die Brennstoffelektrode (Anode) des Stapels, und ein Luftzuführsystem liefert die durch ein Luftgebläse von außen angesaugte Luft an die Luftelektrode (Katode) des Stapels.
Wenn Wasserstoff bzw. Sauerstoff der Brennstoffelektrode bzw. der Luftelektrode zugeführt werden, wird der Wasserstoff durch einen Katalysator an der Brennstoffelektrode in ein Proton und ein Elektron gespalten, und das Proton wandert durch eine Elektrolytmembran zur Luftelektrode, während das Elektron durch eine externe Schaltung von der Anode zur Katode gezogen wird und so elektrische Energie erzeugt. Bei Erreichen der Luftelektrode vereinigt sich das Proton wieder mit dem Elektron und reagiert mit Sauerstoff zu Wasser, wodurch ebenfalls elektrische Energie erzeugt wird. Mit anderen Worten, die Kombination der elektrochemischen Oxidation von Wasserstoff an einer Brennstoffelektrode und der elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff an einer Luftelektrode induzieren eine kontinuierliche Wanderung der Elektronen von der Anode zur Katode bei gleichzeitiger Erzeugung elektrischer Energie und Wärme. Außerdem entstehend durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff Sauerstoff Wasserdampf oder Wasser in flüssiger Phase.
Eine Emissionseinrichtung ist als Ablauf während der Erzeugung elektrischer Energie im Brennstoffzellenstapel vorgesehen, d. h. die Nebenprodukte wie Wasserdampf, Wasser und Wärme sowie nicht an der Reaktion beteiligte Reaktanten wie Wasserstoff und Sauerstoff. Gas wie Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff werden durch eine Abzugshaube zur Atmosphäre ausgeleitet. Komponenten für den Betrieb einer Brennstoffzelle, einschließlich eines Luftgebläses, eines Wasserstoff-Umwälzgebläses, einer Wasserpumpe und dergl. werden an einen Hauptbus angeschlossen, um den Betrieb der Brennstoffzelle zu unterstützen. Der Hauptbus kann auch mit verschiedenen Relais zum Unterbrechen und Anschließen einer Spannung sowie mit einer Diode zum Vermeiden eines Rückstroms zur Brennstoffzelle verbunden werden.
Die von einem Luftgebläse gelieferte trockene Luft wird mittels eines Befeuchters angefeuchtet und der Luftelektrode eines Brennstoffzellenstapels zugeführt, während Abgas von der Luftelektrode im angefeuchteten Zustand über das im Befeuchter erzeugte Wasser zum Befeuchter geführt wird und zum Befeuchter der von einem Luftgebläse gelieferten trockenen Luft dient. Wenn sich ein Brennstoffzellenstapel im ausgetrockneten oder gefluteten Zustand befindet, nimmt die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels ab und die erforderliche Zeit zur Wiederherstellung der Ausgangsleistung auf ein angemessenes Niveau wird länger. Außerdem kann ein andauernder Austrocknungs- oder Überflutungszustand in einer Verkürzung der Dauerhaltbarkeit und Lebendauer des Brennstoffzellenstapels resultieren. Es ist deshalb erforderlich, den Zustand eines Brennstoffzellenstapels genau zu diagnostizieren, einschließlich Austrocknen oder Fluten (z. B. einen Wasser-Leckagezustand), und eine rasche Wiederherstellung des Brennstoffzellenstapels durch Ausführen von Wiederherstellungsoperationen des Stapels gemäß dem diagnostizierten Zustand sicherzustellen.
In der verwandten Technik wird ein Verfahren zum Diagnostizieren des Wassergehalts eines Brennstoffzellenstapels durch Messen der Impedanz eines Wechselstroms (AC) der Brennstoffzelle offenbart. Mit anderen Worten, wenn die Impedanz des Stroms im Wesentlichen konstant ist, kann eine Brennstoffzelle als normal diagnostiziert werden. Wenn ferner die Brennstoffzelle deutliche Schwankungen der Stromimpedanz aufweist, kann eine Überflutung der Brennstoffzelle bestimmt werden. Eine allmählich ansteigende Stromimpedanz kann darauf hinweisen, dass sich die Brennstoffzelle in einem ausgetrockneten Zustand befindet. Dieses offenbarte Verfahren zur Erkennung der Überflutung ist sehr zeitaufwändig, da das Verfahren das Überfluten durch Bestimmen einer Schwankung eines Impedanzwertes bestimmt; dazu ist jedoch die Messung von zwei oder mehr Impedanzwerten über der Zeit und die Berechnung einer Schwankung der Impedanzwerte erforderlich. Es ist außerdem problematisch, dass die Messung eines Impedanzfrequenzbereichs von mehreren hundert Hertz in einem Verlust der Messgenauigkeit resultieren kann.
Ein weiteres Verfahren der verwandten Technik offenbart das Verhindern des Austrocknens eines Brennstoffzellenstapels durch Bestimmen der relativen Feuchte des Brennstoffzellenstapels mittels eines Zuordnungsverzeichnisses der relativen Feuchte auf Basis von Messdaten bezüglich der jeweiligen Temperaturen eines Gebläseauslasses, eines Befeuchtereinlasses und eines Kühlmittelauslasses und durch Verringern des Luftdurchsatzes und Erhöhen des Betriebsdrucks, wenn bestimmt wird, dass die relative Feuchte zunimmt. Dieses Verfahren ist jedoch problematisch, weil die Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel auf verschiedene Faktoren, einschließlich Temperatur und Feuchte der in den Brennstoffzellenstapel angesaugten Luft, Temperatur und Feuchte in einem Luftauslass, Temperatur und Feuchte des zugeführten Wasserstoffs, Menge des Produktwassers des Brennstoffzellenstapels und Temperatur des Brennstoffzellenstapels selbst stark reagiert. Schätzen der relativen Feuchte anhand von Daten der jeweiligen Temperaturen des Luftgebläseauslasses, des Befeuchtereinlasses und des Kühlmittelauslasses ist nur mäßig genau.
Ein weiteres Verfahren der verwandten Technik offenbart das Wiederherstellen des Wassergleichgewichts in einem Brennstoffzellenstapel. Wenn im Brennstoffzellenstapel eine Situation des Austrocknens eintritt, bei der das Wassergleichgewicht in einer Brennstoffzelle einen vorgegebenen Wert unterschreitet, erfolgt die Wiederherstellung des Brennstoffzellenstapels durch Begrenzen der Ausgangsleistung in aufeinanderfolgenden Prozessen der Reduzierung des stöchiometrischen Luftverhältnisses, der Reduzierung des Drucks der Brennstoffelektrode, der Erhöhung des Umwälzvolumens zur Brennstoffelektrode und der Erhöhung des Luftdrucks in dieser Reihenfolge. Diese aufeinanderfolgenden Prozesse haben jedoch den Nachteil, dass die Wiederherstellung eines Brennstoffzellenstapels aus dem ausgetrockneten Zustand sehr zeitaufwändig ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Deshalb stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels bereit, mit dem die Diagnoseleistung für einen Brennstoffzellenstapel erhöht werden kann, indem ein Strom mit mehreren Frequenzen angelegt, die Impedanz des Stroms mit mehreren Frequenzen gemessen und der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels rasch diagnostiziert wird, einschließlich des ausgetrockneten/gefluteten Zustand des Brennstoffzellenstapels. Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu Steuern eines Brennstoffzellensystems auf Basis des Zustands eines Brennstoffzellenstapels bereit, wobei das Verfahren die rasche Wiederherstellung eines Brennstoffzellenstapels aus einem anomalen Zustand in einen normalen Zustand (z. B. aus einem ausgetrockneten oder gefluteten Zustand in einen fehlerfreien Zustand) ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels enthalten: gleichzeitiges Anlegen von Strömen mit einer ersten und zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel; Berechnen von Fourier-Transformationen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Brennstoffzellenstapels auf Basis der angelegten Ströme; Berechnen eines reellen Teils einer Impedanz der ersten Frequenz und eines imaginären Teils einer Impedanz der zweiten Frequenz anhand der Amplituden und Phasen der Ströme und Spannungen mit der ersten und zweiten Frequenz aus den berechneten Ausgangsströmen und Ausgangsspannungen; und Bestimmen des Zustands des Brennstoffzellenstapels anhand der Größe des berechneten reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und der Größe des berechneten imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz, wobei die erste Frequenz höher ist als die zweite Frequenz.
Die erste Frequenz kann ca. 100 Hz oder mehr betragen und die zweite Frequenz kann zwischen ca. 1 Hz und 100 Hz liegen. Der Prozess der Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels kann auf Basis der Größe des berechneten reellen und imaginären Teils erfolgen, basierend auf einem Zustands-Zuordnungsverzeichnis des Brennstoffzellenstapels, in dem die Zustände des Brennstoffzellenstapels entsprechend den Größen des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz verzeichnet sind. Das Zustands-Zuordnungsverzeichnis des Brennstoffzellenstapels zeigt die Beziehung zwischen dem Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels und Ebenen der Größe des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz. Die Ebenen können auf Basis mehrerer vorgegebener Grenzwerte eingeteilt werden.
Der Prozess der Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels kann auch die Bestimmung des Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels auf Basis der Ebene enthalten, der die Größe des berechneten reellen Teils und des imaginären Teils zugeordnet ist. Ferner kann der Prozess der Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels die Verwendung der Ausgabe eines Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis enthalten, das Fuzzy-Logik entsprechend der Größe des reellen Teil der Impedanz der ersten Frequenz und der Größe des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz anwendet. Der Ausgang des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis kann durch die Größe des reellen Teil der Impedanz der ersten Frequenz und die Größe des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz bestimmt werden und auf Basis von vorgegebenen Grenzwerten in mehrere Ebenen unterteilt werden. Der Prozess der Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels kann ferner die Bestimmung des Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemäß den vorgegebenen Grenzwerten eingeteilten Ebenen enthalten.
Das Verfahren kann ferner das Einteilen der Zustände des Brennstoffzellenstapels in mehrere Ebenen auf Basis des bestimmten Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels enthalten. Außerdem kann das Verfahren die Änderung mehrerer Faktoren einschließlich Luftdurchsatz, Luftdruck, Wasserstoffdurchsatz, Wasserstoffdruck und Wasserstoffemission des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemäß den vorgegebenen Grenzwerten eingeteilten Ebenen enthalten. Die Ebene kann in die Ebenen 1 bis 5 in der Reihenfolge der Abnahme des Wassergehalts gemäß vorgegebener Werte unterteilt werden. Der Prozess der Änderung mehrerer Faktoren kann durch Erhöhen des Luftdurchsatzes, des Wasserstoffdrucks, des Wasserstoffdurchsatzes und der Wasserstoffemission und durch Senken des Luftdrucks erfolgen, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 1 entspricht; Erhöhen des Wasserstoffdurchsatzes und Erhöhen des Luftdurchsatzes, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 2 entspricht; Senken des Luftdurchsatzes und des Wasserstoffdrucks, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 4 entspricht; und Erhöhen des Wasserstoffdurchsatzes und des Luftdrucks und Senken des Luftdurchsatzes und des Wasserstoffdrucks, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 5 entspricht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:
1 einen beispielhaften Graphen, der die Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines Brennstoffzellenstapels einschließlich Zellenspannung, Absolutwert der Impedanz und imaginärer Teil der Niederfrequenzimpedanz über der Zeit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine beispielhafte Ansicht einer Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion entsprechend der Größe des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz, gemessen von einem Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine beispielhafte Ansicht einer Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion entsprechend der Größe des imaginären Teils der Impedanz der ersten Frequenz, gemessen von einem Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 eine beispielhafte Ansicht von Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gemäß dem Zustand eines Brennstoffzellenstapels, gemessen von einem Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
7 eine beispielhafte Tabelle, die die Steuerung des Brennstoffzellensystems nach der Diagnose mittels eines Verfahrens zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zusammenfasst.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
Es versteht sich, dass die beispielhaften Prozesse auch von einem oder einer Mehrzahl Module ausgeführt werden können. Außerdem versteht es sich, dass sich der Begriff Steuerung/Steuereinheit auf ein Hardware-Gerät bezieht, das einen Speicher und einen Prozessor enthält. Der Speicher ist zum Speichern der Module konfiguriert und der Prozessor ist speziell zum Ausführen der Module konfiguriert, um einen oder mehrere der später beschriebenen Prozesse auszuführen.
Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium mit ausführbaren Programmanweisungen, die von einem Prozessor, einer Steuerung und dgl. ausgeführt werden, verwirklicht sein. Beispiele für computerlesbare Medien sind u. a. ROMs, RAMs, Compact Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, USB-Sticks, Smart Cards und optische Datenspeichergeräte. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in netzgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. von einem Telematik-Server oder einem Controller Area Network (CAN).
Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen ”einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt. Außerdem versteht es sich, dass der Begriff ”aufweist” und/oder ”aufweisend” bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile angibt, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente, Bauteile und/oder Gruppen derselben nicht ausschließt. Wie hierin verwendet enthält die Formulierung ”und/oder” sämtliche Kombinationen einer oder mehrerer der aufgeführten Positionen.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Zusammenhang offensichtlich, ist der Begriff ”etwa, ca.” wie hierin verwendet so zu verstehen, dass er sich auf Werte innerhalb des normalen Toleranzbereichs der Technik bezieht, z. B. auf zwei Standardabweichungen vom Mittelwert. ”Etwa” oder ”ca.” kann als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes verstanden werden. Sofern aus dem Zusammenhang nicht anderweitig klar hervorgeht, sind alle hierin enthaltenen numerischen Werte durch den Begriff ”etwa, ca.” modifiziert.
Spezifische strukturelle oder funktionale Beschreibungen von Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden in der Beschreibung bzw. Anmeldung offenbarten Erfindung sollen die Ausführungsbeispiele der Erfindung nur beschreiben. Die Beschreibungen können auf verschiedene Weise verwirklicht werden und sollten nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie auf die in der Beschreibung bzw. Anmeldung erläuterten Ausführungsformen beschränkt sind. Spezifische Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der Beschreibung bzw. Anmeldung ausführlich erläutert, weil die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verschiedene Formen und Modifikationen haben können. Es versteht sich jedoch, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt sein sollen, sondern dass alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen vom Gültigkeitsbereich der Erfindung abgedeckt sind.
Obwohl Begriffe wie ”erster, erste, erstes”, ”zweiter, zweite, zweites” und dgl. zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, sollten die Elemente durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden. Die Begriffe dienen nur dazu, ein Element gegenüber anderen zu unterscheiden. Ein erstes Element kann z. B. als zweites Element und das zweite Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es versteht sich, dass dann, wenn ein Element als mit einem anderen als ”verbunden” oder ”gekoppelt” beschrieben wird, es direkt mit dem anderen Element oder dazwischen angeordneten Elementen verbunden oder gekoppelt sein kann oder dass ein Element dazwischen vorgesehen sein kann. Wenn ein Element dagegen mit einem anderen Element als ”direkt verbunden” oder ”direkt gekoppelt” beschrieben wird, ist dazwischen kein anderes Element vorhanden. Andere Wörter zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen sind in gleicher Weise zu interpretieren (z. B. ”zwischen” im Gegensatz zu ”direkt zwischen”, ”angrenzend” im Gegensatz zu ”direkt angrenzend” usw.).
Alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) haben die gleiche Bedeutung wie die, die dem Durchschnittsfachmann geläufig sind, an sich die vorliegende Erfindung wendet, sofern sie nicht auf eine andere Weise definiert sind. Ferner versteht es sich, dass Begriffe, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, in der gleichen Weise verstanden werden sollten wie in Zusammenhang mit der einschlägigen Technologie und nicht in einer idealen oder übermäßig formalen Bedeutung interpretiert werden dürfen, sofern sie nicht eindeutig so definiert sind. Nunmehr sei auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen identische Bezugszeichen in sämtlichen verschiedenen Zeichnungen gleiche oder ähnliche Bauteile kennzeichnen.
1 zeigt Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines Brennstoffzellenstapels, einschließlich Zellenspannung, Absolutwert der Impedanz und imaginärer Teil der Niederfrequenzimpedanz über der Zeit. Wie aus 1 ersichtlich ist, fällt die Zellenspannung über der Zeit stark ab, wenn der Massendurchsatz des Wasserstoffs abnimmt. In 1 sind auch die Änderungen der Größe des Absolutwertes der Impedanz und der Größe des imaginären Teils der Niederfrequenzimpedanz in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Die Größe des Absolutwertes der Niederfrequenzimpedanz nimmt erst ab und dann zu, aber die Größe des imaginären Teils der Niederfrequenzimpedanz nimmt mit dem Anstieg der Zellenspannung ständig zu. Mit anderen Worten, 1 weist die Überlegenheit bei der Diagnosegenauigkeit nach, wenn die Größe eines imaginären Teils der Niederfrequenzimpedanz beim Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels auf Basis des Wassergehalts verwendet wird, gegenüber der Verwendung des Absolutwertes der Niederfrequenzimpedanz.
2 ist ein beispielhaftes schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß dem Flussdiagramm kann jeder Prozess von einer Brennstoffzellensteuerung oder eine verteilten Steuerung einer Brennstoffzelle ausgeführt werden.
Ein Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann enthalten: gleichzeitiges Anlegen von Strömen mit einer ersten und einer zweiten Frequenz durch eine Steuerung (S201), Berechnen von Fourier-Transformationen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Brennstoffzellenstapels auf Basis der angelegten Ströme durch die Steuerung (S203), Berechnen eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz anhand der Amplituden und Phasen der Ströme und Spannungen mit der ersten und der zweiten Frequenz der berechneten Ausgangsströme und Ausgangsspannungen durch die Steuerung (S205) und Bestimmen des Zustands des Brennstoffzellenstapels anhand der Größe des berechneten reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und der Größe des berechneten imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz durch die Steuerung (S207).
Insbesondere kann die erste Frequenz höher sein als die zweite Frequenz. Die erste Frequenz kann im Vergleich zur zweiten Frequenz eine relativ hohe Frequenz sein, wobei die zweite Frequenz im Vergleich zur ersten Frequenz eine relativ niedrige Frequenz sein kann. Ein die Ströme mit verschiedenen Frequenzen synthetisierender Strom kann als diagnostischer Strom an einen Brennstoffzellenstapel gelegt werden. Die erste Frequenz kann ca. 100 Hz oder mehr betragen, während die zweite Frequenz zwischen ca. 1 Hz bis unter 100 Hz liegen kann. Wenn ein Strom, der einen Strom mit hoher Frequenz mit einem Strom mit niedriger Frequenz synthetisiert, an einen Brennstoffzellenstapel gelegt wird, enthalten die Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Brennstoffzellenstapels Strom- und Spannungskomponenten mit den gleichen Frequenzen wie der angelegte Strom.
Zur schnelleren Diagnose des Zustands eines Brennstoffzellenstapels kann eine Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass sie einen Strom an den Brennstoffzellenstapel legt, der mehrere Ströme mit verschiedenen Frequenzen (z. B. sinusförmige Ströme mit einer ersten und einer zweiten Frequenz) synthetisiert. Die Brennstoffzellensteuerung kann dann zum Messen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Brennstoffzellenstapels konfiguriert werden. Die gemessenen Ausgangsströme und -spannungen können einer Fourier-Transformation unterworfen werden, um die Wandlung in die Frequenzdomäne herbeizuführen. Jeder der gemessenen Ströme und jede der gemessenen Spannungen kann die erste Frequenz und die zweite Frequenz haben. Anschließend kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass sie die Amplituden der Ströme mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz, die Amplituden der Spannungen mit der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz, einen Phasenwinkel des Stroms und der Spannung mit der ersten Frequenz und einen Phasenwinkel des Stroms und der Spannung mit der zweiten Frequenz berechnet.
Danach kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass sie einen reellen Teil der Impedanz der ersten Frequenz anhand der Amplitude und des Phasenwinkels der Spannung und des Stroms mit der ersten Frequenz berechnet. Analog kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass sie einen imaginären Teil der Impedanz der zweiten Frequenz aus der Amplitude und des Phasenwinkels der Spannung und des Stroms mit der zweiten Frequenz berechnet. Auf Basis des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass sie den Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels bestimmt, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels zu diagnostizieren. Auf Basis des diagnostizierten Zustands kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass sie die Durchsätze und Drücke des Wasserstoffs und der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, oder Fuzzylogik-Zyklen wie Emissionszyklen des Wasserstoffs variabel steuert. Einzelheiten in Zusammenhang mit der Steuerung werden später beschrieben. Sowohl die Impedanz der ersten Frequenz als auch die Impedanz der zweiten Frequenz wird in Form des reellen Teils und des imaginären Teils ausgedrückt.
3 ist ein beispielhaftes schematisches Blockdiagramm eines Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wenn der reelle Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und der imaginäre Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 gemäß 2 als Eingaben gegeben sind, kann das Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Diagnostizieren des Zustands des Brennstoffzellenstapels durch eine Fuzzy-Inferenz verwendet werden. Das Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis kann enthalten: einen Fuzzifizierer 30, eine Fuzzy-Inferenzmaschine 40, eine Regelbasis 45, und einen Defuzzifizierer 50. Das Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis kann zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels durch Prozesse der Eingabe numerischer Werte, Wandeln der Eingabe in eine Fuzzy-Sprache durch den Fuzzifizierer 30, Bestimmen eines Satzes Fuzzy-Regeln und Ausgabe einer Fuzzy-Sprache durch die Fuzzy-Inferenz-Maschine 40 und Wandeln der Fuzzy-Regeln in eine numerische Ausgabe durch den Defuzzifizierer 50 konfiguriert werden.
Die Fuzzy-Regelbasis 45 kann zur Fuzzy-Inferenz verwendet werden, bei der in der Regel eine Ausgabe von zwei Eingaben abgeleitet wird, d. h. ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20, die den Zustand des Brennstoffzellenstapels repräsentieren. Wenn der reelle Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und der imaginäre Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 numerisch in einen Fuzzifizierer eingegeben werden, kann die Eingabe in eine linguistische Fuzzy-Variable wie ”high” oder ”low” usw. gewandelt werden. Mit der Fuzzy-Variablen als linguistische Eingabe kann die Fuzzy-Inferenz-Maschine 40 zur Ausgabe einer linguistischen Fuzzy-Steuervariablen konfiguriert werden, die dann zu einer numerischen Steuervariablen zum Diagnostizieren des Zustands des Brennstoffzellenstapels durch den Defuzzifizierer 50 defuzzifiziert wird.
Eine Fuzzy-Logiksteuerung kann zwei Eingaben und eine Ausgabe haben, die der Fuzzy-Regelbasis 45 entsprechen. Die zwei Eingaben können ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und einen imaginären Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sein. Ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 kann mit einem Maximalwert und einem Minmalwert, die als ”1” bzw. ”0” eingestellt sind, normalisiert werden. In gleicher Weise kann ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz mit einem Maximalwert und einem Minimalwert, die als ”1” bzw. ”0” eingestellt sind, normalisiert werden. 4 zeigt eine Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion gemäß der Größe des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10, während 5 eine Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion gemäß der Größe des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 darstellt. Der reelle Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und der imaginäre Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 kann durch den Fuzzifizierer 30 in Fuzzy-Werte gewandelt und dann in die Fuzzy-Inferenz-Maschine 40 eingegeben werden.
Eine Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis kann einen Zustand des Brennstoffzellenstapels repräsentieren. Bei einem ausgetrockneten Zustand, der einen verringerten Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels hinweist, kann die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis mit ”1” als normalisierter Wert ausgedrückt werden, während bei einem gefluteten Zustand, der auf einen erhöhten Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels hinweist, die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis auf ”0” normalisiert sein kann. 6 zeigt Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen gemäß dem Zustand eines Brennstoffzellenstapels. Die Fuzzy-Inferenz-Maschine 40 kann zum Bestimmen linguistischer Ausgaben mittels der vorgegebenen Fuzzy-Regelbasis 45 und zweier eingegebenen Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktionen konfiguriert werden und um den Zustand des Brennstoffzellenstapels anhand einer ausgegeben Fuzzy-Zugehörigkeitsfunktion zu berechnen.
Das Diagnosewerkzeug auf Fuzzy-Logikbasis ist jedoch nur ein Werkzeug, das den Zustand eines Brennstoffzellenstapels ausgibt, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz als Eingaben gegeben sind, und kann einen Zustands-Zuordnungsverzeichnis des Brennstoffzellenstapels verwenden, in dem der Zustand eines Brennstoffzellenstapels entsprechend der Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 und der Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 verzeichnet ist.
Ferner kann eine von der Fuzzy-Regelbasis des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis vorgeschriebene IF-THEN-Regel wie folgt zusammengefasst werden. Ein Stand des Wassergehalts, der der Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 und der Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 entspricht, kann in fünf Ebenen eingeteilt werden. Die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 können jeweils in drei Ebenen (L, M, H) gemäß den vorgegebenen Grenzwerten in den Graphen der 4 bis 6 eingeteilt werden. Mit anderen Worten, auf Basis der Ebenen, in die die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 und eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 jeweils eingeteilt werden, kann der Wassergehalt eines Brennstoffzellenstapels in fünf Ebenen eingeteilt werden: von Ebene 1, für den am stärksten gefluteten Zustand (HH) steht, bis Ebene 5, die den am stärksten ausgetrockneten Zustand (LL) angibt, wobei dazwischen die Ebene eines weniger stark gefluteten Zustands (H) als Ebene 1, die Ebene 4 eines weniger ausgetrockneten Zustands (1) als Ebene 5 und die Ebene 3, die den Normalzustand (z. B. einen Zustand ohne Fluten und Austrocknen) angibt, liegen.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen sehr niedrigen reellen Teil (L) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen sehr hohen imaginären Teil (H) aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel im am stärksten gefluteteten Zustand (HH) befindet. Mit anderen Worten, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 sehr niedrig (L) und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sehr hoch (H) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis Ebene 1, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel im am stärksten gefluteteten Zustand (HH) befindet.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen sehr niedrigen reellen Teil (L) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen mittleren imaginären Teil (M) aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem leicht gefluteten Zustand (H) befindet. Mit anderen Worten, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 sehr niedrig (L) und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 mittel (M) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis Ebene 2, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem leicht gefluteten Zustand (H) befindet.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen sehr niedrigen reellen Teil (L) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen sehr niedrigen imaginären Teil (L) aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand (M) befindet. Mit anderen Worten, wenn sowohl ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 als auch ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sehr niedrig (L) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis Ebene 3, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand (M) befindet.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen mittleren reellen Teil (M) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen sehr niedrigen (L) oder mittleren (M) imaginären Teil aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand (M) befindet. Mit anderen Worten, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 mittel (M) und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sehr niedrig (L) oder mittel (M) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbas Ebene 3, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Normalzustand (M) befindet.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen mittleren reellen Teil (M) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen sehr hohen imaginären Teil (H) aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem leicht ausgetrockneten Zustand (L) befindet. Mit anderen Worten, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 mittel (M) und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sehr hoch (H) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis Ebene 4, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem licht ausgetrockneten Zustand (L) befindet.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen sehr hohen reellen Teil (H) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen sehr niedrigen (L) oder mittleren (M) imaginären Teil aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem ausgetrockneten Zustand (L) befindet. Mit anderen Worten, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 sehr hich (H) und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sehr niedrig (L) oder mittel (M) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis Ebene 4, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel in einem leicht ausgetrockneten Zustand (L) befindet.
Wenn die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen sehr hohen reellen Teil (H) und die Impedanz der zweiten Frequenz einen sehr hohen imaginären Teil (H) aufweist, kann bestimmt werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel im am stärksten ausgetrockneten Zustand (LL) befindet. Mit anderen Worten, wenn ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 sehr hoch (H) und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 sehr hoch (H) ist, entspricht die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis Ebene 5, was bedeutet, dass sich der Brennstoffzellenstapel im am stärksten ausgetrockneten Zustand (LL) befindet.
Hierin bedeutet der Begriff ”hoch” für den reellen Teil oder den imaginären Teil, dass die Größe des reellen Teils oder des imaginären Teils in einer sehr hohen Ebene von den drei Ebenen (hoch, mittel, niedrig) liegt, die durch vorgegebene Grenzwerte wie aus den 4 bis 6 ersichtlich kategorisiert werden. Analog bedeuten die Begriffe ”mittel” und ”niedrig” mittlere (z. B. zwischen der niedrigen und der hohen Ebene) und sehr niedrige Ebenen der Größen von den drei Kategorien. Die Begriffe ”hoch”, ”mittel” und ”niedrig” beziehen sich also nicht auf absolute Größen.
Ferner kann ein Zustands-Zuordnungsverzeichnis des Brennstoffzellenstapels gemäß den folgenden Kriterien vorgegeben werden. Ähnlich wie bei der Verwendung des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels in fünf Ebenen eingeteilt werden, die als ausgetrockneter (LL, L), gefluteter (HH, H) und normaler Zustand (M) kategorisiert werden. Insbesondere können Unterteilungen der ausgetrockneten Zustände (LL, L) und der gefluteten Zustände (HH, H) auf Basis des Wassergehalts vorgenommen werden. Die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 können auf Basis der vorgegebenen Grenzwerte jeweils in drei Kategorien (L, M, H) eingeteilt werden. Die Kategorien können mit einem Wassergehaltszustand verzeichnet werden.
Ein Zustand, bei dem die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 relative niedrig (L) und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 relativ hoch (H) ist, kann als ein am stärkster gefluteter Zustand (HH) verzeichnet werden. Ein Zustand, bei dem die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen relativ niedrigen reellen Teil (L) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen relativ mittleren imaginären Teil (M) hat, kann als ein leicht gefluteter Zustand (H) verzeichnet werden. Wenn die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 relativ niedrig (L) und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 relativ niedrig (L) ist, kann der Zustand als ein Normalzustand verzeichnet werden.
Wenn ferner die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 mittel (M) und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 mittels (M) oder relativ niedrig (L) ist, kann der Zustand als ein Normalzustand (M) verzeichnet werden. Wenn die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 mittel (M) und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 relativ hoch (H) ist, kann der Zustand als ein mäßig ausgetrockneter Zustand (L) verzeichnet werden. Wenn außerdem die Größe eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 relativ hoch (H) und die Größe eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 relativ niedrig (L) oder mittel (M) ist, kann der Zustand als ein mäßig ausgetrockneter Zustand (L) verzeichnet werden. Ein Zustand in dem die Impedanz der ersten Frequenz 10 einen relativ hohen reellen Teil (H) und die Impedanz der zweiten Frequenz 20 einen relativ hohen imaginären Teil (H) hat, kann als der am stärksten ausgetrocknete Zustand (LL) verzeichnet werden.
Relative Größen können auf Basis vorgegebener Grenzwerte als relativ niedrige Werte (L), mittlere Werte (M) und relativ hohe Werte (H) kategorisiert werden. Durch vorgegebene Grenzwerte kann ein reeller Teil der Impedanz der ersten Frequenz 10 und ein imaginärer Teil der Impedanz der zweiten Frequenz 20 in mehrere Ebenen kategorisiert werden. Auf Basis von Ebenen, in denen die Größen eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz 10 und eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz 20 jeweils zugeordnet sind, kann der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels durch das Zustands-Zuordnungsverzeichnis diagnostiziert werden.
7 ist eine beispielhafte Tabelle, die die Steuerung des Brennstoffzellensystems nach der Diagnose mittels eines Verfahrens zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zusammenfasst. Wie oben beschrieben bedeutet HH den am stärksten gefluteten Zustand (erste Ebene), H einen leicht gefluteten Zustand (zweite Ebene), M den Normalzustand (dritte Ebene), L einen mäßig ausgetrockneten Zustand (vierte Ebene) und LL den am stärksten ausgetrockneten Zustand (fünfte Ebene)
Wenn der Brennstoffzellenstapel als im Zustand HH diagnostiziert wird, kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass der Wasserstoffdurchsatz, der Wasserstoffdruck und der Luftdurchsatz sowie die Wasserstoffemission erhöht werden und der Luftdruck gesenkt wird, um eine rasche Wiederherstellung aus dem gefluteten Zustand zu bewirken. Bei einem diagnostizierten Zustand H im Brennstoffzellenstapel kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass der Wasserstoffdurchsatz und der Luftdurchsatz erhöht werden. Mit anderen Worten, die Anzahl der zu ändernden Faktoren und der Grad der Änderung können auf Basis des gefluteten Zustands des Brennstoffzellenstapels variieren.
Wenn der Brennstoffzellenstapel als M diagnostiziert wird, was den Normalzustand bedeutet, kann der Zustand der Brennstoffzelle konstant gehalten werden und gilt als der höchst effiziente Zustand. Bei einem diagnostizierten Zustand L des Brennstoffzellenstapels kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass der Luftdurchsatz und der Wasserstoffdruck verringert werden, um den ausgetrockneten Zustand zu vermeiden. Wenn der Brennstoffzellenstapel als LL diagnostiziert wird, kann die Brennstoffzellensteuerung so konfiguriert werden, dass der Wasserstoffdurchsatz und der Luftdruck erhöht und der Luftdurchsatz und Wasserstoffdruck verringert werden, um eine rasche Wiederherstellung aus dem ausgetrockneten Zustand zu bewirken.
Mit anderen Worten, die Brennstoffzellensteuerung kann so konfiguriert werden, dass sie einen reellen Teil der Impedanz der ersten Frequenz und einen imaginären Teil der Impedanz der zweiten Frequenz anhand der Amplituden und Phasen der Ströme und Spannungen mit der ersten und zweiten Frequenz berechnet, die ausgegeben werden, nachdem ein die erste und die zweite Frequenz synthetisierender Strom angelegt worden ist, berechnet. Die Brennstoffzellensteuerung kann dann so konfiguriert werden, dass sie den Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels bestimmt, um einen gefluteten oder ausgetrockneten Zustand mittels eines Zustands-Zuordnungsverzeichnisses zu diagnostizieren, in dem eine Beziehung zwischen dem Wassergehalt und den Größen eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz eingestellt sein kann.
Wie hierin beschrieben kann das Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels und zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Zustand eines Brennstoffzellenstapels rasch diagnostizieren, indem gleichzeitig ein sinusförmiger Strom mit verschiedenen Frequenzen an den Brennstoffzellenstapel gelegt wird und anhand der Impedanz auf Basis der Ausgangsströme und -spannungen mit verschiedenen Frequenzen der Zustand des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird. Außerdem ist durch Verwenden eines Wertes des reellen Teils der Impedanz der hohen Frequenz und eines imaginären Teils der Impedanz einer niederen Frequenz anstelle eines absoluten Impedanzwertes zur Berechnung der Impedanz eine genauere Bestimmung des Wassergehalts eines Brennstoffzellenstapels möglich. Deshalb kann ein gefluteter oder ausgetrockneter Zustand eines Brennstoffzellenstapels genauer diagnostiziert werden.
Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung offenbart worden sind, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne von Gültigkeitsbereich und Geist der Erfindung abzuweichen, wie in den angefügten Ansprüchen offenbart.

Claims

Verfahren zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: gleichzeitiges Anlegen von Strömen mit einer ersten und zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel durch eine Steuerung; Berechnen von Fourier-Transformationen der Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Brennstoffzellenstapels auf Basis der angelegten Ströme durch die Steuerung; Berechnen eines reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und eines imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz anhand der Amplituden und Phasen der Ströme und Spannungen mit der ersten und zweiten Frequenz aus den berechneten Ausgangsströmen und Ausgangsspannungen durch die Steuerung; und Bestimmen des Zustands des Brennstoffzellenstapels anhand der Größe des berechneten reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und der Größe des berechneten imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz durch die Steuerung, wobei die erste Frequenz höher ist als die zweite Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Frequenz ca. 100 Hz oder höher ist, und die zweite Frequenz zwischen ca. 1 Hz und 100 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels auf Basis der Größe des berechneten reellen Teils und des imaginären Teils auf Basis eines Zustands-Zuordnungsverzeichnisses des Brennstoffzellenstapels erfolgt, in dem Zustände des Brennstoffzellenstapels entsprechend den Größen des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz verzeichnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Zustands-Zuordnungsverzeichnis des Brennstoffzellenstapels die Beziehung zwischen dem Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels und Ebenen der Größe des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz zeigt, wobei die Ebenen gemäß mehrerer vorgegebener Grenzwerte eingeteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels ferner aufweist: Bestimmen des Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels auf Basis der Ebene, der die Größe des berechneten reellen Teils und des imaginären Teils zugeordnet ist, durch die Steuerung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels die Verwendung der Ausgabe eines Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis enthält, das Fuzzy-Logik entsprechend der Größe des reellen Teil der ersten Frequenzimpedanz und der Größe des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz implementiert.
Verfahren zum Diagnostizieren nach Anspruch 6, wobei die Ausgabe des Diagnosewerkzeugs auf Fuzzy-Logikbasis durch die Größe des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und die Größe des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz bestimmt und in mehrere Ebenen auf Basis vorgegebener Grenzwerte unterteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels ferner aufweist: Bestimmen des Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemäß den vorgegebenen Grenzwerten eingeteilten Ebenen durch die Steuerung.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend: Einteilen der Zustände des Brennstoffzellenstapels in mehrere Ebenen auf Basis des bestimmten Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels durch die Steuerung.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend: Ändern mehrerer Faktoren einschließlich Luftdurchsatz, Luftdruck, Wasserstoffdurchsatz, Wasserstoffdruck und Wasserstoffemission des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemäß den vorgegebenen Grenzwerten eingeteilten Ebenen durch die Steuerung.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ebene die Ebenen 1 bis 5 enthält, die in der Reihenfolge der Abnahme des Wassergehalts gemäß vorgegebener Werte unterteilt werden, und das Ändern der mehreren Faktoren enthält: Erhöhen des Luftdurchsatzes, des Wasserstoffdrucks, des Wasserstoffdurchsatzes und der Wasserstoffemission und Senken des Luftdrucks, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 1, entspricht durch die Steuerung; Erhöhen des Wasserstoffdurchsatzes und Erhöhen des Luftdurchsatzes, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 2 entspricht, durch die Steuerung; Senken des Luftdurchsatzes und des Wasserstoffdrucks, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 4 entspricht, durch die Steuerung; und Erhöhen des Wasserstoffdurchsatzes und des Luftdrucks und Senken des Luftdurchsatzes und des Wasserstoffdrucks, wenn der Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels der Ebene 5 entspricht, durch die Steuerung.
System zum Diagnostizieren des Zustands eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Speicher, der zum Speichern von Programmanweisungen konfiguriert ist; und einen Prozessor, der zum Ausführen der Programmanweisungen konfiguriert ist, wobei die Programmanweisungen konfiguriert sind, um bei der Ausführung: gleichzeitig Ströme mit einer ersten und zweiten Frequenz an den Brennstoffzellenstapel zu legen; Fourier-Transformationen der Ausgangsströme und -spannungen vom Brennstoffzellenstapel auf Basis der angelegten Ströme zu berechnen; einen reellen Teil der Impedanz der ersten Frequenz und einen imaginären Teil der Impedanz der zweiten Frequenz anhand der Amplituden und Phasen der Ströme und Spannungen mit der ersten und zweiten Frequenz von den berechneten Ausgangsströmen und -spannungen zu berechnen; und den Zustand des Brennstoffzellenstapels anhand der Größe des berechneten reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und anhand der Größe des berechneten imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz zu bestimmen, wobei die erste Frequenz höher ist als die zweite Frequenz.
System nach Anspruch 12, wobei die erste Frequenz ca. 100 Hz oder höher ist, und die zweite Frequenz zwischen ca. 1 Hz und 100 Hz liegt.
System nach Anspruch 12, wobei die Bestimmung des Zustands des Brennstoffzellenstapels auf Basis der Größe des berechneten reellen Teils und des imaginären Teils auf Basis eines Zustands-Zuordnungsverzeichnisses des Brennstoffzellenstapels erfolgt, in dem Zustände des Brennstoffzellenstapels entsprechend den Größen des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz verzeichnet sind.
System nach Anspruch 14, wobei das Zustands-Zuordnungsverzeichnis des Brennstoffzellenstapels die Beziehung zwischen dem Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels und Ebenen der Größe des reellen Teils der Impedanz der ersten Frequenz und des imaginären Teils der Impedanz der zweiten Frequenz zeigt, wobei die Ebenen gemäß mehrerer vorgegebener Grenzwerte eingeteilt werden.
System nach Anspruch 15, wobei die Programmanweisungen konfiguriert sind, um bei der Ausführung: den Wassergehalt des Brennstoffzellenstapels auf Basis der Ebene, der die Größe des berechneten reellen Teils und des imaginären Teils zugeordnet ist, zu bestimmen.
System nach Anspruch 16, wobei die Programmanweisungen konfiguriert sind, um bei der Ausführung: die Zustände des Brennstoffzellenstapels in mehrere Ebenen auf Basis des bestimmten Wassergehalts des Brennstoffzellenstapels einzuteilen.
System nach Anspruch 17, wobei die Programmanweisungen konfiguriert sind, um bei der Ausführung: mehrere Faktoren einschließlich Luftdurchsatz, Luftdruck, Wasserstoffdurchsatz, Wasserstoffdruck und Wasserstoffemission des Brennstoffzellenstapels auf Basis der gemäß den vorgegebenen Grenzwerten eingeteilten Ebenen zu ändern.