DE102017207157A1

DE102017207157A1 - Überwachung der Intaktheit des Brennstoffzellenstapels mit Hilfe von Kraftstoffzellengruppen

Info

Publication number: DE102017207157A1
Application number: DE102017207157.5A
Authority: DE
Inventors: Manish Sinha; Pinkhas A. Rapaport; Hiromichi Yoshida; Shohei TOYOTA; Yeh-Hung Lai
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-11-09
Also published as: CN107342430A; US10218018B2; US20170324106A1; JP7049065B2; JP2017201627A; CN107342430B

Abstract

Ein Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Vielzahl von Zellengruppen und eine Steuerung, worin jede Zellengruppe eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Gruppensensor umfasst, der eine oder mehrere elektrische Eigenschaften der jeweiligen Zellengruppe misst. Die Steuerung umfasst einen oder mehrere Prozessoren und Speicher und ist kommunikativ mit jedem Gruppensensor verbunden. Der eine oder die mehreren Prozessoren führen maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen elektrischen Eigenschaft jeder Zellengruppe mit einem oder mehreren im Speicher abgelegten Schwellenwerten aus und zeigen die Notwendigkeit zum Diagnostizieren des Brennstoffzellenstapels an, wenn der Vergleich ein nicht-systemisches Ereignis anzeigt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Vorrichtungen zum Überwachen und Identifizieren von nicht-systemischen Ereignissen in einem Brennstoffzellenstapel und genauer, Verfahren und Vorrichtungen für das Gruppieren von Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels zum Überwachen und Identifizieren von nicht-systemischen Ereignissen, die bei einzelnen Brennstoffzellen innerhalb jeder Gruppe aufgetreten sind.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen verwandeln Brennstoff per chemischer Reaktion in nutzbare Elektrizität. Ein erheblicher Vorteil einer derartigen Energieproduktion besteht darin, dass dieselbe ohne Abhängigkeit von Verbrennung als Zwischenschritt erreicht wird. Brennstoffzellen haben einige umweltfreundliche Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor (ICE) und ähnlichen stromerzeugenden Quellen als Antriebskraft und ähnlichen Anwendungen. In einer typischen Brennstoffzelle – wie zum Beispiel einer Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (in beiden Fällen PEM) – werden einige katalysierte Elektroden durch eine ionendurchlässige Elektrolytschicht (wie zum Beispiel Nafion^TM) getrennt, sodass diese drei Schichten zusammen das bilden, von üblicherweise als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet wird. Eine typische Katalysatorladung auf der Anode und der Kathode ist ungefähr 0,05 bis 0,4 mg Platin (Pt) pro Quadratzentimeter unterstützter Auflageflächenbereich (so wie eine poröse auf Kohlenstoff basierende Matte). Die elektrochemische Reaktion entsteht, wenn ein erstes Reaktionsmittel in Form eines gashaltigen Reduktionsmittels (beispielsweise Wasserstoff, H₂) eingeleitet und an der Anode ionisiert wird und dann das ionendurchlässige Medium so durchströmt, dass es sich mit einem zweiten Reaktionsmittel in Form eines gashaltigen oxidierenden Stoffes (beispielsweise Sauerstoff O₂) kombiniert, der durch die andere Elektrode (die Kathode) eingeleitet wurde; diese Kombination aus Reaktionsmitteln bildet Wasser als Nebenprodukt. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des ersten Reaktionsmittels freigesetzt wurden, werden in Form von Gleichstrom (DC) über den äußeren Stromkreis, der in der Regel eine Belastung (beispielsweise einen elektrischen Motor oder auch verschiedene Pumpen, Ventile, Kompressoren oder andere Fluid-transportierende Komponenten) beinhaltet, zur Kathode weitergeleitet, wo nützliche Arbeiten verrichtet werden können. Die durch diesen Gleichstrom (DC) erzeugte Energie kann durch Kombinieren zahlreicher solcher Zellen zu einer größeren stromerzeugenden Anordnung vergrößert werden. Bei einer derartigen Konstruktion sind die Brennstoffzellen ähnlich einer gemeinsamen Stapeldimension – ähnlich einem Kartendeck -verbunden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Wie Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt, sind innerhalb des gegenwärtigen Zusammenhangs jede dieser Anordnungen zahlreicher individueller Zellen angeordnet, um die gesamte elektrische Spannung zu steigern oder es wird davon ausgegangen, dass sie Stapel definieren, auch in Situationen, wo diese präzise gestapelten Anordnungen der Zellen nicht einfach offensichtlich sind.
Bezogen auf Faktoren wie Fluten oder Eisstaus in den Diffusionsmedien (DM) oder Strömungskanälen sowie H₂-Fehlverteilung innerhalb oder entlang der MEA können einige der Zellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels eine reduzierte Zulieferung von H₂ zur Anode erfahren, die entweder während Hochfahrens oder normalen Betriebs auftreten können, und im schlimmsten Fall kann die Zulieferung komplett abgeschnitten werden. Ein gesamter H₂-Entzug in der Anode (wo die H₂-Zulieferung komplett abgeschnitten wurde) führt zu einem Phänomen, das als Umpolung bekannt ist, wo die Anode auf ein Potenzial viel höher als die Kathode polarisiert ist. Wenn ein kleiner Teil der Anode von der H₂-Zulieferung abgeschnitten ist, erfährt der Teil der Kathode, dessen H₂-Zufuhr abgeschnitten ist, Spannungspotenziale, die höher als der Oxidationsgrenzbereich bestimmter Schlüssel-Brennstoffzellenkomponenten wie Kohlenstoff sind, aus dem die Katalysatorträgerschicht besteht. Das wiederum führt zu Kohlenstoffkorrosion und einem diesbezüglichen Leistungsverlust oder auch einem elektrischen Kurzschluss in der betroffenen Zelle.
Bemühungen, die Effekte der Anodenmangelversorgung und die nachfolgende Umpolung zu verbessern, waren nicht zufriedenstellend. Bei einer dieser Bemühungen wird die Zellenspannungsüberwachung (CVM) genutzt, um den Zellenspannungswechsel zu überwachen. Unglücklicherweise bietet diese Überwachung nur Hinweise eines Wasserstoffmangelzustands, der sich schon innerhalb des Stapels entwickelt hat. Außerdem ist Anordnen von CVM auf jeder Zelle im Stapel aufgrund der Anzahl der Sensoren, zugeordneten Drähte und notwendigen Steuerungsanschlüsse, die es zu überwachen und identifizieren eines nicht-systemischen Ereignisses in jeder Zelle gilt, aufwändig. Eine andere Bemühung kann einen Katalysator beinhalten, der eine bevorzugte Sauerstoffentwicklung begünstigt, um konkurrierende Kohlenstoffzersetzungreaktionen zu unterdrücken, da graphitisierende Unterstützungsstrategien Kohlenstoffkorrosionsraten entweder bei globalen oder lokalisierten H₂-Mangelversorgungsproblemen, die häufig mit Brennstoffzellen-Systemanläufen, Abschaltungen, vorübergehenden oder Strömungsblockaden operativer Konditionen einhergehen, allein nicht in ausreichendem Maß reduzieren.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für alternative Verfahren und Systeme zum Überwachen und Identifizieren von nicht-systemischen Ereignissen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels.
ZUSAMMENFASSUNG
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Zellengruppen und eine Steuerung, worin jede Zellengruppe eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Gruppensensor umfasst, der eine oder mehrere elektrische Eigenschaften der jeweiligen Zellengruppe misst. Die Steuerung umfasst einen oder mehrere Prozessoren und Speicher und kommunikativ mit jedem Gruppensensor verbunden. Der eine oder die mehreren Prozessoren führen maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen elektrischen Eigenschaft jeder Zellengruppe mit einer oder mehrerer im Speicher abgelegter Schwellenwerten durch und zeigen die Notwendigkeit zum Diagnostizieren des Brennstoffzellenstapels an, wenn der Vergleich ein nicht-systemisches Ereignis anzeigt.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Brennstoffzellen-Antriebssystem eine Steuerung, einen Brennstoffzellenstapel und ein oder mehrere Ventile und einen oder mehrere Kraftstoffspeicher. Das eine oder die mehreren Ventile sind fluidisch mit dem einen oder den mehreren Kraftstoffspeichern an den Brennstoffzellenstapel verbunden und jeder Kraftstoffspeicher speichert entweder einen Reaktionspartner oder Luft. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl von Zellengruppen, worin jede Zellengruppe eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Gruppensensor umfasst. Der Gruppensensor misst eine oder mehrere elektrische Eigenschaften der jeweiligen Zellengruppe. Die Steuerung umfasst eine oder mehrere Prozessoren und Speicher und ist kommunikativ mit jedem Gruppensensor verbunden. Der eine oder die mehreren Prozessoren führen maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen elektrischen Eigenschaft mit einer oder mehrerer im Speicher gespeicherter Schwellenwerten durch und betätigen das eine oder die mehreren Ventile zum Einstellen des Flusses des Reaktionspartners oder der Luft aus den Kraftstoffspeichern zum Brennstoffzellenstapel, wenn der Vergleich ein nicht-systemisches Ereignis zeigt.
Diese und weitere Eigenschaften der hier beschriebenen Ausführungsformen werden vollständiger aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind veranschaulichender Natur und sind nicht dazu beabsichtigt, die von den Ansprüchen definierten Ausführungsformen einzuschränken. Die folgende detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Konstruktionen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und in denen:
1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellen-Antriebssystem nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
2 eine Steuerung für einen Brennstoffzellenstapel nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
3 grafisch die Impedanz (Ωcm²) einer Zellengruppe pro Anzahl von Brennstoffzellen in der Zellengruppe nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
4 ein Flussdiagramm nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
5A eine Draufsicht einer Membranelektrodenanordnung nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
5B eine Seitenansicht einer Zellengruppe nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
6 grafisch Brennstoffzellenumpolung aufgrund von Umkehrmodus durch ungenügende Versorgung mit Reaktionspartner nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
7 einen weiteren Satz Daten bezüglich Brennstoffzellenumpolung durch ungenügende Versorgung mit Reaktionspartner nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
8 grafisch das Impedanzverhältnis einer Brennstoffzelle veranschaulicht, die Brennstoffzellenumpolung bei unterschiedlichen Gruppenfrequenzen nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen erfährt;
9 Impedanz und Spannung eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht, der MEA-Austrocknung aufgrund eines nicht-systemischen Ereignisses nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen erfährt; und
10 grafisch die Änderungsrate der Impedanz während eines nicht-systemischen Ereignisses nach einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nicht-systemische Ausfälle eines Brennstoffzellenstapels kann die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen oder einen Kurzschluss in nur wenigen Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels verursachen. Diese nicht-systemischen Ausfälle, Fehler oder Ereignisse sind u. U. von den Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Intaktheitszustand-Überwachungssystemen nicht erkennbar, da die elektrischen Eigenschaften der betroffenen Brennstoffzellen sich möglicherweise nicht in einer genügenden Größenordnung verändern, dass sie von den Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Intaktheitszustand-Überwachungssystemen identifizierbar oder messbar sind. Eine Brennstoffzelle kann beispielsweise ein nicht-systemisches Ereignis wie Brennstoffzellenumpolung infolge gesperrter Verrohrung in einer einzelnen Brennstoffzelle aufgrund von Fremdkörpern in der Verrohrung innerhalb der Brennstoffzelle erleiden. Das nicht-systemische Ereignis muss erkannt werden und muss während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zum Vermeiden weiterer Schäden behoben werden oder der nicht-systemische Fehler muss daran gehindert werden, sich als systemischer Fehler des gesamten Brennstoffzellenstapels fortzupflanzen. Das Überwachen des gesamten Brennstoffzellenstapels mit Sensoren, die die elektrischen Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels messen, können möglicherweise ein nicht es Ereignis aufgrund der kleinen Veränderung innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle nicht identifizieren. Elektrisches Rauschen und anderen Faktoren können derartige Messungen kleiner Größe maskieren. Weiterhin ist individuelles Überwachen jeder einzelnen Brennstoffzelle zum Identifizieren dieser Kleinbetragsmessungen umständlich, aufwändig zu realisieren, teuer und erhöht die Chance auf einen Fehler oder Ausfall der Intaktheitszustand-Überwachung. Es versteht sich, dass nicht-systemische Ereignisse Fehler sind, die die Leistungsfähigkeit von einer oder mehreren einzelnen Brennstoffzellen beeinträchtigen, jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Brennstoffzellenstapels ausüben. Wenn nicht-systemische Ereignisse nicht behoben werden, können sie zu einem systemischen Ausfall des gesamten Brennstoffzellenstapels führen. Es ist auch verständlich, dass Brennstoffzellenumpolung der Zustand einer einzelnen Brennstoffzelle ist, in dem sie Elektrizität verbraucht statt sie zu erzeugen. Diese Bedingung wird als Spannungsabfall im Ausgang der Brennstoffzelle oder als eine Änderung der Impedanz der Brennstoffzelle betrachtet.
Zunächst mit Bezug auf 1 beinhaltet ein Fahrzeug 10 (beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf, einen Personenkraftwagen, einen Van, einen Bus, einen Lastwagen, ein Motorrad, einen Panzer, ein Raumfahrzeug, ein Schiff, ein Boot oder ein U-Boot) beinhaltet ein Brennstoffzellen-Antriebssystem 20 umfassend einen Elektromotor 17 und einen Brennstoffzellenstapel 1. Der Elektromotor 17 erhält seine Elektroenergie aus dem Brennstoffzellenstapel 1 und/oder einem oder mehreren elektrischen Speichervorrichtungen 27 und stellt Antriebskraft für das Fahrzeug 10 bereit. Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst zahlreiche einzelnen Brennstoffzellen 15. Das Brennstoffzellen-basierende Antriebssystem 20 kann einen oder mehrere Kraftstoffspeicher 22, 23 sowie Leistungswandler oder ähnliche Elektronik 25, elektrische Speichervorrichtungen 27 (z. B. Batterien, Ultrakondensatoren oder Ähnliches), ein oder mehrere Steuervorrichtungen 30, die betriebsrelevantes Management bereitstellen und eine beliebige Anzahl von Ventilen, Kompressoren, Verrohrung, Temperaturreglern und andere Nebenaggregate beinhalten. Weitere Offenbarung der Struktur eines Brennstoffzellen-basierenden Antriebssystems, zugeordneter Ausrüstung und ihrer Beziehung zueinander sind in der zugeordneten US-Patentanmeldung Nr. 14/804,706, eingereicht am 21.07.2015 (Rechtsanwaltsnummer P028916-PTUS-CHE) offenbart, die hier durch Verweis in seiner Gesamtheit einbezogen ist.
Jede beliebige Anzahl von unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen 15 kann für den Brennstoffzellenstapel 1 des Antriebssystems 20 verwendet werden; diese Brennstoffzellen 15 können aus Metallhydrid-, alkalischen, elektrogalvanischen oder anderen Variationen bestehen. Die Brennstoffzellen 15 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 können in Reihe, parallel oder in einer Kombination der beiden zum Erzeugen einer höheren Spannung oder eines höheren Stroms kombiniert werden, je nach den Bedürfnissen des Fahrzeugs 10.
2 zeigt eine Steuerung 30 für den Brennstoffzellenstapel 1. Die Steuerung 30 ist kommunikativ mit verschiedenen Vorrichtungen und Sensoren des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden. Die Steuerung 30 beinhaltet einen oder mehrere Prozessoren 161 (z. B. und nicht einschränkend auf einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array oder dergleichen), die kommunikativ mit dem nicht flüchtigen Speicher 162 verbunden sind, und eine oder mehrere Schnittstellen wie, beispielsweise, die erste Benutzeroberfläche 163 und zweite Benutzeroberfläche 164. Der Speicher 162 kann jede Form Speicher zum Speichern der maschinenausführbaren Anweisungen sein, die eine oder mehrere der hier offenbarten Funktionen durchführen, wenn sie von Prozessor 161 ausgeführt werden. Zum Beispiel und nicht einschränkend kann Speicher 162 ein RAM, ROM, Flash-Speicher, Festplattenlaufwerk, EEPROM, CD-ROM, DVD, andere Formen von nicht flüchtigen Speichervorrichtungen oder eine beliebige Kombination von verschiedenen Speichervorrichtungen sein. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 30 als Datenverarbeitung oder Computersystem mit seinem Prozessor 161, Eingang, Ausgang und Speicher 162 fungieren, worin die letztgenannte verwendet werden kann, um vorübergehend oder dauerhaft Codes, Programme, Modelle oder ähnliche Algorithmen, den kollektiv gekennzeichneten Code 171 derart zu verwenden, dass die in Code 171 enthaltenen Anweisungen vom Prozessor 161 basierend auf Eingangsdaten so verarbeitet werden, dass Ausgangsdaten durch den Code erzeugt werden können. Die Ausgangsdaten können über den Ausgang zu eine(m)(r) weiteren Programm, Benutzer oder Komponente (wie einer Komponente oder einem Sensor des Brennstoffzellenstapels 1 beispielsweise) transportiert werden. Ein Datenbus oder ähnlicher Satz von Drähten und zugehöriger Schaltung bildet einen geeigneten Datenkommunikationspfad, der die verschiedenen Komponenten der Steuerung 30 verbinden kann sowie einem beliebigen Peripheriegerät erlaubt, als integriertes Gesamtsystem zu arbeiten. Beispiele beinhalten, sind aber nicht eingeschränkt auf, eine erste Benutzeroberfläche 163, eine zweite Benutzeroberfläche 164, Verbindungen 166, 168 und 170 und dergleichen wie nachstehend näher erläutert.
Die Steuerung 30 kommuniziert mit verschiedenen Vorrichtungen im Brennstoffzellenstapel 1 und stellt gegebenenfalls Steuerung von derartigen Vorrichtungen bereit. Immer noch unter Bezugnahme auf 2 beinhalten exemplarische Vorrichtungen, sind aber nicht eingeschränkt auf, einen oder mehrere Pumpen 143, einen oder mehrere Kompressoren, ein oder mehrere Ventile 145 und einen oder mehrere Sensoren. Die Steuerung 30 empfängt entweder direkt oder indirekt Sensormessungen aus dem Brennstoffzellenstapel 1 zum Überwachen des Betriebs des Systems. Die Steuerung 30 kann beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmessung, Dichte, Ventilstellung, Geschwindigkeit, Impedanzmessungen, Spannungsmessungen, Strommessungen, Erfassen von elektrischen Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels 1 oder andere Messungen von Sensoren oder Vorrichtungen 165 im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellenstapel 1 empfangen. Es sollte beachtet werden, dass eine beliebige Anzahl von verschiedenen Kombinationen von Sensoren und Sensorkonfigurationen verwendet werden können, ohne von den Prinzipien oder Lehren aus der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Eine oder mehrere Verbindungen 166 kann jede beliebige Kombination von festverdrahteten oder drahtlosen Verbindungen sein, die Verbindungen zwischen Steuerung 30 und der einen oder mehreren Pumpen 143, einem oder mehreren Ventilen 145 und andere Vorrichtungen 165 jeweils bereitstellen. In einer Ausführungsform kann die eine oder mehrere Verbindungen 166 Teil einer gemeinsamen Datenleitung sein, die relevante Messdaten an Steuerung 30 und Steuerbefehle an die Vorrichtungen des Brennstoffzellenstapels 1 leitet. In noch anderen Ausführungsformen kann die eine oder mehrere Verbindungen 166 einen oder mehrere Zwischenschaltungen (z. B. andere Mikrocontroller, Signalfilter usw.) beinhalten und eine indirekte Verbindung zwischen Steuerung 30 und der einen oder mehreren Pumpen 143, einem oder mehreren Ventilen 145 und anderen Vorrichtungen 165 bereitstellen. Wenn eine Verbindung 166 drahtlos ausgeführt ist, beinhalten die Steuerung 30 und die Vorrichtung (z. B. eine oder mehrere Pumpen 143, ein oder mehrere Ventile 145 und andere Vorrichtungen 165) Sendeempfänger zum Senden und Empfangen von Daten. Die drahtlose Verbindung kann jedes bekannte Protokoll wie beispielsweise IEEE-802-Serienstandards wie WiFi^®, ZigBee^®, Bluetooth^® und dergleichen verwenden.
Die zweite Benutzeroberfläche 164 kann konfiguriert sein zum Empfangen von Messdaten und zum Übermitteln von Steuerbefehlen zum Betätigen einer oder mehrerer Pumpen 143, eines oder mehrerer Ventile 145 und anderer Vorrichtungen 165 des Brennstoffzellen-basierenden Antriebssystems 20. Die zweite Benutzeroberfläche 164 kann auch eine Schaltung konfiguriert zum digitalen Abfragen oder Filtern von empfangenen Messdaten beinhalten. Die zweite Benutzeroberfläche 164 kann von einem Temperatursensor der Pumpe 143 über Verbindung 166 zu diskreten Zeitpunkten (z. B. k, k + 1, k + 2 usw.) zum Erzeugen diskreter Temperaturwerte (z. B. T(k), T(k + 1), T(k + 2) usw.). Temperaturdaten abfragen. Die Steuerung 30 kann beispielsweise eine oder mehrere Pumpen 143, ein oder mehrere Ventile 145 und andere Vorrichtungen 165 des Brennstoffzellen-basierenden Antriebssystems 20 zum Einstellen des Flusses des Reaktionspartners oder der Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 1 betätigen.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 30 auch mit Schnittstellenvorrichtungen 167 (beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf, eine Anzeige, einen Lautsprecher, einen Drucker oder irgendeiner anderen elektronischen Vorrichtung, die Daten an und von einem Benutzer bereitstellt und/oder empfängt) über Verbindung 168 kommunizieren. Die Steuerung 30 kann ferner mit anderen Rechensystemen 169 (beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf, eine andere Steuerung, eine tragbare elektronische Vorrichtung, einen Server oder dergleichen) über Verbindung 170 kommunizieren. Anschlüsse 168 und 170 können drahtgestützte und/oder drahtlose Verbindungen sein. Andere Rechensysteme 169 können beispielsweise einen Server von Fahrzeug 10 von 1 entfernt untergebracht beinhalten und Verbindung 170 kann eine drahtlose Verbindung sein. Die Steuerung 30 kann beispielsweise nicht einschränkend den Status der Zustandinformation zu dem Server in anderen Rechensystemen 169 über eine mobile, WiFi-, Radio-, Satelliten-Verbindung oder Ähnliches senden. Die erste Benutzeroberfläche 163 kann auch einen oder mehrere Sendeempfänger beinhalten, der konfiguriert ist zum Senden und Empfangen von Ortsinformationen für Fahrzeug 10. Beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf, kann die erste Benutzeroberfläche 163 ein GPS-Empfänger oder mobiler Empfänger zum Bestimmen des Standorts des Fahrzeugs 10 sein. Es sollte verstanden werden, dass die Steuerung 30 nicht auf nur zwei Schnittstellen eingeschränkt ist und auch mehr oder weniger, als in dem jeweiligen Anwendungsfall benötigt, aufweisen kann. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die erste Benutzeroberfläche 163 und die zweite Benutzeroberfläche 164 eine einzelne Benutzeroberfläche für die Steuerung 30 sein.
Obwohl die Steuerung 30 in 2 als Einzelvorrichtung dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass diese lediglich beispielhaft ist und nicht einschränkend sein soll. Prozessor 161 kann beispielsweise eine beliebige Anzahl von Prozessoren einer beliebigen Anzahl von Rechenvorrichtungen beinhalten, die die in Speicher 162 abgelegten Anweisungen ausführen. Ebenso kann Speicher 162 eine beliebige Anzahl von Speichervorrichtungen beinhalten und ist nicht eingeschränkt auf Speichereinheiten innerhalb des gleichen Gehäuses wie Prozessor 161. In manchen Fällen kann Prozessor 161 und/oder Speicher 162 sogar außerhalb des Fahrzeugs 100 angeordnet sein. Es sollte verstanden werden, dass die Steuerung 30 eine von vielen Steuervorrichtungen in dem Brennstoffzellen-basierenden Antriebssystem 20 sein kann.
Immer noch unter Bezugnahme auf 2 umfasst der Brennstoffzellenstapel 1 eine oder mehrere Zellengruppen 5. Jede Zellengruppe 5 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen 15 und einen Gruppensensor 7. Der Gruppensensor 7 ist konfiguriert zum Erfassen von elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Zellengruppe 5, an die er gekoppelt ist. Die Steuerung 30 ist kommunikativ mit jedem Gruppensensor 7 verbunden. Wie nachfolgend näher erläutert, arbeiten die Steuerung 30 und jeder Gruppensensor 7 zusammen, um das Auftreten eines nicht-systemischen Ereignisses oder Fehlers (z. B. Brennstoffzellenumpolung) in jeder Zellengruppe 5 zu erfassen. In einer Ausführungsform kann der Gruppensensor 7 verwendet werden zum Erfassen der elektrischen Eigenschaften (z. B. Spannung, Stromstärke, Impedanz, Frequenz usw.) der jeweiligen Zellengruppe 5. In einer Ausführungsform kann jeder Gruppensensor 7 einen hochohmigen Widerstand gekoppelt über jede Zellengruppe 5 umfassen, dass der Gruppensensor 7 und die Vielzahl der Brennstoffzellen 15 in der Zellengruppe 5 elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 30 Spannungssignale von jedem Gruppensensor 7 empfangen und diese Spannungssignale mit einem schnellen Fourier-Transformations(FFT)-Algorithmus zum Erfassen mindestens eines von: einer Gleichstrom(DC)-Gruppenspannung, einer Wechselstrom(AC)-Gruppenspannung und einer harmonischen Gruppenspannung verarbeiten. In einer Ausführungsform kann die Impedanz der Zellengruppe 5 aus den erfassten Spannungen durch das Zusammenwirken des Gruppensensors 7 und der Steuerung 30 abgeleitet werden. Es wird in Betracht gezogen, dass der Gruppensensor 7 eine Vielzahl von einzelnen Sensoren umfassen kann. In einer Ausführungsform kann beispielsweise jeder Gruppensensor 7 eine Kombination von mindestens einem eines Impedanzsensors, eines Gleichspannungssensors, eines Wechselspannungssensors, eines harmonischen Sensors und dergleichen umfassen. Es sollte verstanden werden, wie in der Technik bekannt, dass der Gruppensensor 7 elektrisch an den Gruppensensor 5 in einer Konfiguration gekoppelt ist, die dem Gruppensensor 7 das Messen und Identifizieren der elektrischen Eigenschaften der Zellengruppe 5 erlaubt, für die der Gruppensensor 7 konfiguriert wurde.
Die Wechselstrom(AC)-Gruppenspannung und die harmonische Gruppenspannung können zu einer Stapelfrequenz korrelieren, die von einem AC-Generator 160 erzeugt werden kann. In dieser Ausführungsform kann der Wechselstrom-Generator 160 einen Wechselstrom zu dem Brennstoffzellenstapel 1 bei der Stapelfrequenz liefern. In einer Ausführungsform kann der Wechselstrom-Generator 160 einen Wechselstrom zu jeder Zellengruppe 5 bei einer Gruppenfrequenz liefern. In einer Ausführungsform kann der Wechselstrom-Generator 160 eine andere Gruppenfrequenz für jede Zellengruppe derart erzeugen, dass jede Zellengruppe 5 erkennbar ist durch die Frequenz, die durch die darauf angewendete Frequenz identifizierbar ist. Obwohl in 2 nicht dargestellt, kann jeder Wechselstromgenerator 160 für jede Zellengruppe 5 mit jedem Gruppensensor 7 parallel verbunden sein. Diese Ausführungsform kann beim Differenzieren jeder Zellengruppe 5 voneinander durch die Steuerung 30 oder beim Identifizieren von Brennstoffzellenumpolung in alternden Zellengruppen 5, worin der Brennstoffzellenstapel 1 eine Vielzahl von Zellengruppen 5 jeweils mit einem anderen Alter umfasst. Siehe die nachstehende Diskussion der 10 für eine Diskussion der Beziehung zwischen Gruppenfrequenz und dem Alter der Zellgruppe 5. In allen Ausführungsformen werden die Amplituden und Frequenzen des einen oder der mehreren Wechselströme, die vom Wechselstrom-Generator 160 erzeugt werden, von der Steuerung 30 bestimmt. Mit anderen Worten, die Steuerung 30 ist kommunikativ mit dem Wechselstrom-Generator 160 verbunden und kann dem Wechselstrom-Generator 160 Betriebsanweisungen zum Erzeugen eines oder mehrerer Wechselströme mit einer oder mehreren Frequenzen bereitstellen. Es sollte verstanden werden, dass sich diese Offenbarung nicht auf nur einen Wechselstrom-Generator 160 eingeschränkt und dass mehrere AC-Erzeuger verwendet werden können. Es wird in Betracht gezogen, in einer Ausführungsform, dass jede Zellengruppe 5 einen AC-Generator umfassen kann.
Die Gruppenfrequenz und/oder die Stapelfrequenz kann durch den Gruppensensor 7 zum Messen eines Hochfrequenzwiderstands (HFR) verwendet werden, worin der HFR-Wert eine elektrische Eigenschaft der Zellengruppe 5 ist. Jede einzelne Gruppenfrequenz, die sich für jede Zellgruppe 5 unterscheiden kann, kann die gleiche Gruppenfrequenz, die auf jede Zellgruppe 5 angewendet wird und/oder die Stapelfrequenz variieren, um den HFR-Wert herauszuheben, der durch den Gruppensensor 7 gemessen wird. Es sollte verstanden werden, dass der HFR-Wert und die Impedanz einer Zellengruppe 5 die gleiche Messung ist.
Es wird in Betracht gezogen, basierend auf den angegebenen experimentellen Daten, dass ein nicht-systemischer Fehler zu einer etwa 0,5 Ωcm² bis 10 Ωcm² oder zu einer etwa 1,8 Ωcm² bis etwa 7,2 Ωcm² großen Erhöhung der gemessenen Impedanz einer Zellengruppe 5 führen kann. Eine Schätzung für Berechnungen, wie hier beschrieben, kann etwa 2 Ωcm²betragen, aber es sollte verstanden werden, dass eine beliebige Impedanz innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs vorstehend beim Berechnen und Bestimmen eines nicht-systemischen Fehlers verwendet werden kann. Beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf, wird in Betracht gezogen, dass diese Schätzung für Berechnungen möglicherweise geändert werden muss, da die Brennstoffzellen 15 in jeder Zellengruppe 5 altern. Die Alterung wird näher erläutert in Bezug auf 10.
3 veranschaulicht grafisch die Impedanz (Ωcm²) einer Zellengruppe 5 (2) pro Anzahl Brennstoffzellen 15 (2) in der Zellengruppe 5. Es wird in Betracht gezogen, dass, wenn eine einzelne Brennstoffzelle 15 Brennstoffzellenumpolung erfährt, ihre Impedanz bis auf etwa 2 Ωcm² ansteigen wird. In einer Zellengruppe 5 von 300 Zellen kann beispielsweise, jedoch nicht eingeschränkt auf, die Erhöhung der Impedanz pro Brennstoffzelle 15 etwa 0,05 Ωcm² (50 mΩcm²) bis etwa 0,057 Ωcm² (57 mΩcm²) betragen. Wenn 300 Brennstoffzellen 15 die Gesamtanzahl von Brennstoffzellen 15 in einem Brennstoffzellenstapel 1 (4) darstellten, betrüge der Anstieg der Impedanz etwa 0,05 Ωcm² + (2 Ωcm² – 0,05Ωcm²)/300, was etwa 0,057 Ωcm² pro Brennstoffzelle 15 gleicht. Diese Ergebnisse zeigen eine Erhöhung von weniger als 0,01 Ωcm² (10 mΩcm²) der gesamten Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 an und es kann schwierig sein, in Gegenwart von stapelbezogen Geräuschfaktoren und anderen Fehlern oder unerwünschten Störungen der Nutzinformationen in einem Signal zu differenzieren. Mit anderen Worten würde das Verwenden eines Sensors für den gesamten Brennstoffzellenstapels 1 zum Messen und Identifizieren, wenn eine einzelne Brennstoffzelle 15 ein nicht-systemisches Ereignis erfährt, schwierig sein, wenn die gesamte Erhöhung der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 kleiner als etwa 0,01 Ωcm²ist. Es wird in Betracht gezogen, dass sich die hier beschriebenen Werte abhängig von der Anzahl der Brennstoffzellen 15 im Brennstoffzellenstapel 1 ändern können.
In einer Ausführungsform, einer Zellengruppe 5 kann zwischen ungefähr dreißig bis etwa fünfzig Brennstoffzellen 15 und kann eine Anhebung der Impedanz anzeigen, die im Wesentlichen ausreichte, um sie von einem stapelbezogenen Betriebsgeräusch und anderen Faktoren zu unterscheiden. In dieser Ausführungsform kann sich die Impedanz pro Brennstoffzelle 15 von etwa 0,04 Ωcm² (40 mΩcm²) für die Zellengruppe 5 erhöhen und ist abgeleitet von (2 Ωcm² – 0,05 Ωcm²)/50. Diese Impedanzerhöhung von etwa 0,05 Ωcm² (50 mΩcm²) bis auf etwa 0,09 Ωcm² (90 mΩcm²) ist nahezu der doppelte Wert eines Normalbetrieb-Impedanzwerts von 0,05Ωcm². 0,09 Ωcm² ist abgeleitet von 0,05 Ωcm² + 0,04 Ωcm². Durch Analyse wird bestimmt, dass eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1, gemessen durch die Größe der Zellengruppe 5 zwischen etwa dreißig bis etwa fünfzig, eine Impedanzwertmessung bereitstellt, die über stapelbezogene Rauschfaktoren und andere Fehler oder unerwünschte Störungen von Nutzinformationen in einem Signal identifizierbar ist. Eine Zellengruppe 5 Größe von fünfzig Brennstoffzellen 15 würde beispielsweise und nicht einschränkend sechs Zellengruppen 5 für einen Brennstoffzellenstapel 1 mit dreihundert Brennstoffzellen 15 benötigen. Diese Ausgestaltung würde lediglich fünf weitere Gruppensensoren 7 hinzufügen, was wesentlich geringer ist als ein Sensor für jede einzelne Brennstoffzelle 15, da ein Sensor für den gesamten Brennstoffzellenstapel 1, wie hier vorstehend angezeigt, nicht in der Lage wäre, ein nicht-systemisches Ereignis zu identifizieren.
Unter Bezugnahme auf 2 kann die Steuerung 30 die Notwendigkeit zur Diagnose des Brennstoffzellenstapels 1 anzeigen, wenn die gemessene elektrische Eigenschaft einer Zellengruppe 5 einen nicht-systemischen Fehler anzeigt. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 30 die Notwendigkeit zur Diagnose des Brennstoffzellenstapels 1 durch Einschalten eines Lichts und/oder eines akustischen Alarmtons auf einer Benutzeroberfläche (nicht dargestellt) wie beispielsweise ein Fahrzeug-Armaturenbrett anzeigen. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 30 die Notwendigkeit zur Diagnose des Brennstoffzellenstapels 1 durch Ändern eines Bits im Speicher für einen späteren Zugriff durch einen Techniker oder Wartungspersonal anzeigen. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 30 die Notwendigkeit zur Diagnose des Brennstoffzellenstapels 1 durch Behebungsmaßnahmen und Ausführen mindestens eines des Folgenden anzeigen: Verringern der elektrischen Last oder der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 1, Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels 1, Erteilen der Erlaubnis dem Brennstoffzellenstapel, für eine eingestellte Zeit vor dem Herunterfahren zu arbeiten (z. B. Notbetriebsmodus) und Erhöhen des Flusses des Reaktionspartners oder der Luft in den Brennstoffzellenstapel 1. In einer Ausführungsform kann die Steuerung 30 die Notwendigkeit zur Diagnose des Brennstoffzellenstapels 1 anzeigen und einen Diagnosealgorithmus 172, der in maschinenlesbarem Code im Speicher einbezogen ist, wie im Flussdiagramm 300 in 4 dargestellt, ausführen. Unter Bezugnahme jetzt auf 2 und 4 wird der Algorithmus 172 gestartet 302, wenn der Code 171 der Steuerung 30 anzeigt, dass eine Diagnoseprüfung erforderlich ist. Die Steuerung 30 bestimmt die elektrischen Eigenschaften von jedem Gruppensensor 7, der mit der Steuerung 30 verbunden ist. Der Diagnosealgorithmus bestimmt, wenn eine Schwellenwertgleichung 304 anzeigt, dass ein nicht-systemisches Ereignis innerhalb jeder jeweiligen Zellengruppe 5 auftrat oder auftritt. Wenn die Schwellenwertgleichung 304 anzeigt, dass ein nicht-systemisches Ereignis nicht aufgetreten ist oder nicht auftritt, hält der Algorithmus 172 den Normalbetrieb 310 des Brennstoffzellenstapels 1 aufrecht und beendet 312 den Diagnosealgorithmus 172. Wenn die Schwellenwertgleichung 304 anzeigt, dass ein nicht-systemisches Ereignis auftrat oder auftritt, führt der Algorithmus 172 eine Steuerungsoperation 306 aus. Der Diagnosealgorithmus 172 wiederholt dann 308 die Schwellenwertgleichung. Wenn die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung weiterhin anzeigt, dass ein nicht-systemisches Ereignis immer noch auftritt oder wenn die Zellengruppe 5 eine andauernde Betriebswirkung anzeigt (d. h., die elektrischen Eigenschaften der Zellengruppe 5, die durch den Gruppensensor 7 erfasst werden, ändern sich nicht oder nur geringfügig, nachdem das nicht-systemische Ereignis behoben wurde) von einem nicht-systemischen Ereignis, das aufgetreten war, führt der Algorithmus 172 weiterhin die Regelung 306 aus. Wenn die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung anzeigt, dass das nicht-systemische Ereignis beendet wurde oder dass die andauernden betrieblichen Auswirkungen zu normalen Betriebsbedingungen zurückgekehrt sind, kehrt der diagnostische Algorithmus 172 wieder in den normalen Betrieb 310 des Brennstoffzellenstapels 1 zurück und beendet 312 den Diagnosealgorithmus 172. Es sollte verstanden werden, dass vielfache Iterationen des Diagnosealgorithmus 172 gleichzeitig in Steuerung 30 ausgeführt werden können, eine für jeden Gruppensensor 7, oder ein Diagnosealgorithmus 172 kann für jeden Gruppensensor 7 hintereinander mit der Steuerung 30 ausgeführt werden. Es wird auch betrachtet, dass die elektrische Eigenschaft Impedanz, erfasst durch den Gruppensensor 7 für jede Zellengruppe 5, für die gesamte Zellengruppe 5 auf Ωcm² normiert ist.
In einer Ausführungsform ist die zu untersuchende elektrische Eigenschaft die Impedanz und die Schwellenwertgleichung 304 kann ein maximaler Impedanzschwellenwert sein, wie dargestellt in Gl. 1 Zellengruppen-Impedanz ≥ Maximale Impedanz Eq. 1 worin die Zellengruppen-Impedanz die von jedem Gruppensensor 7 gemessene Impedanz ist. Die maximale Impedanz kann nach dem Alter des Brennstoffzellenstapels 1 (4), dem Alter der Zellengruppe 5 oder der Größe der Impedanz, die der Steuerung 30 mitgeteilt wird, variieren. Die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung können beispielsweise und nicht eingeschränkt eine Vielzahl von schrittweisen Schwellenwerten umfassen. Die Steuerungsoperation 306 kann je nach Wert der Zellengruppe-5-Impedanz im Vergleich mit der Vielzahl von schrittweisen Schwellenwerten variieren. Darüber hinaus kann sich die Steuerungsoperation 306 über den Verlauf von einer oder mehrerer Iterationen ändern, da sich der max. Impedanzwert der Zellengruppe 5 so ändern kann, dass er einen anderen Satz von einer oder mehreren der Vielzahl von inkrementellen Schwellenwerten der Schwellenwertgleichung 304 und der Wiederholung 308 des Schwellenwerts übersteigt. Zum Beispielsweise, und nicht eingeschränkt, kann, wenn ein Gruppensensor eine Impedanzerhöhung der Zellengruppe auf einen großen Mengenwert, z. B. das Doppelte des Normalwerts von 0,05 Ωcm² anzeigt, die Schwellenwertgleichung 304 oder die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung anzeigen, dass ein nicht-systemisches Ereignis eingetreten ist. Die Diagnosealgorithmus 172 kann über mehrere Schwellenwerte für unterschiedliche Abhilfemaßnahmen verfügen. Beispielsweise wird bei 0,1 Ωcm² eine erste Notmaßnahme zur Begrenzung der elektrischen Last des Brennstoffzellenstapels ausgelöst, während die Zufuhr von H₂ (d. h. Reaktant) und Luft fortgesetzt wird, jedoch bei 0,15 Ωcm² eine zweite Notmaßnahme des Herunterfahrens des Brennstoffzellenstapels (z. B. die elektrische Last vom Brennstoffzellenstapel entfernt und der Laststrom null wird, während die Zufuhr von H₂ und Luft fortgesetzt wird) ausgelöst wird.
Als ein konkreteres Beispiel und nicht einschränkend kann eine Gruppe von Schwellenwerten einen ersten Schwellenwert einer Impedanzmessung für die Zellengruppe 5 über 0,09 Ωcm², einen zweiten Schwellenwertenwert zwischen etwa 0,075 Ωcm² und 0,09 Ωcm², einen dritten Schwellwert zwischen etwa 0,05 Ωcm² und 0,075 Ωcm²und eine vierte Schwelle unterhalb etwa 0,05 Ωcm² beinhalten. Nach 4 für dieses Beispiel kann in einer ersten Iteration die Impedanzmessung ungefähr 0,06 Ωcm² ergeben und der Steuervorgang 306 (z. B. die erste Notmaßnahme) kann die Menge der Luft und/oder des Reaktionspartners zu dem Brennstoffzellenstapel 1 in dem Bemühen zum Druckbeaufschlagen und zwangsweisen Beseitigen einer Sperrung in einem Anodenkanal 181 oder einem Kathodenkanal 180 (5B) der Zellengruppe 5 erhöhen. Während der Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung kann sich die Impedanzmessung auf 0,08 Ωcm² erhöht haben und der Steuervorgang 306 (z. B. zweite Notmaßnahme) kann sich dann verringern, um die elektrische Last des Brennstoffzellenstapels 1 zu kompensieren. In einer zweiten Iteration kann die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung eine Impedanzmessung identifizieren von etwa 0,091 Ωcm² und der Steuervorgang 306 kann dann den Brennstoffzellenstapel 1 abschalten. Umgekehrt kann in einer zweiten Iteration die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung eine Impedanzmessung von etwa 0,04 Ωcm² identifizieren und der Steuervorgang 306 kann die elektrische Last des Brennstoffzellenstapels 1 und die Luftzufuhr zum Normalbetrieb 310 zurückführen.
Zusätzlich kann die elektrische Eigenschaft der Untersuchung Strom sein und der Diagnosealgorithmus 172 kann die Stromdichte in der Zellengruppe 5 zum Überwachen des Intaktheitszustands des Brennstoffzellenstapels 1 faktorisieren. Wie oben diskutiert in Bezug auf die Impedanzmessung, kann eine Gruppe von Schwellenwerten für Stromdichte zum Identifizieren eines nicht-systemischen Ereignisses verwendet werden. Stromleistungsdichte ist das Verhältnis von Strom zu aktiver Fläche der Brennstoffzelle 15. Stromleistungsdichte wird hier nachstehend in Bezug zu den 5A und 5B diskutiert. Zum Beispiel und nicht einschränkend weist ein Brennstoffzellenstapel 1, der etwa 400 Ampere mit einer aktiven Fläche 300 cm² produziert, eine Stromdichte von etwa 1,33 A/cm² auf. Wird eine Konzentration (d. h. Stromdichte) von Strom in einem Abschnitt einer Brennstoffzelle 15 größer als 1,33 A/cm², kann der Algorithmus 172 ein nicht-systemisches Ereignis identifizieren und eine entsprechende eine Abhilfemaßnahme auf Basis von Messungen (z. B. Impedanz und/oder Stromdichte) verglichen mit einer Gruppe von Schwellenwerten einleiten. Es sollte verstanden werden, dass die Schwellenwerte für die Impedanzmessung und/oder Stromdichte anhand der Konfiguration des Brennstoffzellen-Antriebssystems 20 (1) und insbesondere des Brennstoffzellenstapels 1, der konfiguriert ist, das Brennstoffzellen-Antriebssystem 20 zu versorgen, bestimmt werden können. In einer Ausführungsform können die Schwellenwerte anhand der Zusammensetzung der MEA und der Menge der Fläche der MEA bestimmt werden.
Wenn der Diagnosealgorithmus 172 ein nicht-systemisches Ereignis wie etwa Anodenverarmung eines Reaktionspartners beispielsweise identifiziert, löst der Steuervorgang 306 eine Notmaßnahme aus. Solche Abhilfemaßnahmen können, wenn eine Leistung von einer Batterie (z. B. elektrischen Speichervorrichtungen 27 (1)) verfügbar ist, proaktives Entlüften bei einer höheren Druckvorspannung durch Hochgeschwindigkeitsrotation einer Wasserstoffpumpe unter Verwendung von Strom von der Batterie oder intermittierende Erhöhung der Erzeugungsleistung durch den Brennstoffzellenstapel beinhalten, was wiederum Erhöhung der Einspritzdüsenströmung von H₂ zur Abhilfe gegen einen Zustand des Flutens zur Folge hätte. Anstelle oder zusammen mit der hohen Drehzahl einer Wasserstoffpumpe kann eine Steuerung oder eine Einspritzdüse zur Erhöhung der Einspritzmenge oder Druck H₂ geöffnet werden. Weiterhin kann zusammen mit der Erhöhung der Einspritzmenge oder des Drucks von H₂ die elektrische Last des Brennstoffzellenstapels abgesenkt werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von H₂ basierend auf dem ansteigenden Druck einer Pumpe 143 (2) und/oder Einspritzdüse (z. B. andere Vorrichtungen 165 (2)) unter Berücksichtigung des Ladezustands der Batterie durchgeführt werden kann.
Bei höherer Stromdichte (und höherer Kühlmitteltemperatur) weist der Algorithmus 172 einen Satz von hohen Stromdichte-Schwellenwerten zur Leistungsbegrenzung und zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels 1 auf. Zum Beispiel und nicht einschränkend kann „Abschaltung des Brennstoffzellenstapels“ in Tabelle 1 nachstehend die Erfassung eines zu hohen Austrocknungsgrads an MEA einer Brennstoffzelle 15 durch den Diagnosealgorithmus 172 beinhalten und der Steuervorgang 306 kann als Reaktion den Brennstoffzellenstapel 1 abschalten. In einem anderen nicht einschränkenden Beispiel kann „Abschaltung des Brennstoffzellenstapels“ in Tabelle 1 nachstehend den Steuerungsvorgang 306 beinhalten, der eine Diagnose zur Leckerkennung während des Abschaltens des Brennstoffzellenstapels 1 durchführt. Wird ein großes Leck erkannt, kann der Steuervorgang 306 eine modifizierte Abschaltungsstrategie durchführen wie dargestellt und beschrieben in Anmeldung 14/742,785, die durch Verweis hierin einbezogen wurde in ihrer Gesamtheit. In einem anderen Beispiel kann „Abschaltung des Brennstoffzellenstapels“ in Tabelle 1 nachstehend das Abschalten der Fähigkeit des Brennstoffzellenstapels 1 zum Neustart beinhalten, sobald der Brennstoffzellenstapel 1 durch den Steuervorgang 306 abgeschaltet wurde. Für alle Ausführungsformen ist die nachstehende Tabelle 1 ein Beispiel dafür, wie der Diagnosealgorithmus 172 nicht-systemische Ereignisse verarbeiten kann.
Tabelle 1 – Steuerungs-Betriebsmaßnahmen
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsformen der Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung beschrieben. Es sollte verstanden werden, dass obwohl Impedanz und Spannung eigens erwähnt werden, jede beliebige hier beschriebene elektrische Eigenschaft in der Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung verwendet werden kann. Mit anderen Worten, die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung sind nicht eingeschränkt nur auf Impedanz und Spannung.
In einer Ausführungsform können die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung die folgende Gleichung sein: d(Zellengruppen-Impedanz) / dt ≥ Maximale Impedanzrate Gl. 2
In dieser Ausführungsform wird der Steuerungsvorgang 306 durchgeführt, wenn der diagnostische Algorithmus einen plötzlichen Sprung der Impedanz in einer Zellengruppe erfasst. Die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung können als Erhöhung einer Ableitung der Zellengruppen-Impedanz um mehr als ein Schwellenwert (z. B. 0,01 Ωcm² /Sekunde) oder nur Differenz des Zellengruppen-Impedanzwerts um mehr als einen Schwellenwert innerhalb einer bestimmten Zeit (z. B. eine Sekunde) durchgeführt werden. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
In einer Ausführungsform kann die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung wie folgt sein: Zellengruppen-Impedanz ≤ γ* Zellengruppen-Impedanz einer anderen Zellengruppe im Brennstoffzellenstapel Gl. 3
In dieser Ausführungsform können die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung einen Trennungsfaktor y beinhalten, beispielsweise 1,5 oder 2. Der Trennungsfaktor γ ist ein Schwellenwert und wird zum Erkennen der Situation verwendet, dass die Impedanz einer Zellengruppe größer ist als die Impedanz anderer Zellengruppen in dem Brennstoffzellenstapel und eine Zellengruppe anzeigen kann, die ein nicht-systemisches Ereignis erfährt. Zum Beispiel und nicht einschränkend wird, wenn die Impedanz einer Zellengruppe größer ist als die anderer Impedanzen der anderen Zellengruppen innerhalb des Brennstoffzellenstapels (Gl. 3) und ein plötzlicher Sprung der Impedanz in der Zellengruppe, der größer ist als die anderen Zellengruppen, erfasst wird (Gl. 2) und gegebenenfalls die Trennung andauert (d. h. andauernde Betriebseffekte), wird der Steuerungsvorgang 306 ausgelöst. Es sollte erwähnt werden, dass die Trennungsfaktor(Gl. 3)-Gleichung vorstehend geschrieben werden kann als: Zellengruppen-Impedanz / Zellengruppenimpedanz für andere Zellengruppen ≥ γ Gl. 4
Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
In einer Ausführungsform können die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung sein: Gl. 4 mit Spannung als der untersuchten elektrischen Eigenschaft anstelle der Impedanz. Die Trennungsfaktor γ für Spannung kann ungefähr 0,9 Volt (oder etwa 10 % Trennung) betragen. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
In einer Ausführungsform können die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung folgende Gleichung sein: Gl. 2 mit Spannung als der untersuchten elektrischen Eigenschaft anstelle der Impedanz. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
In einer Ausführungsform können die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung folgende Gleichung sein: Zellengruppen-Impedanzverhältnis ≥ γ Gl. 5
In dieser Ausführungsform bestimmt der Diagnosealgorithmus, wenn ein nicht-systemisches Ereignis in einer Zellengruppe abläuft, durch Auswertung der gemessenen Zellengruppen-Impedanzen gegenüber der Zellengruppen-Impedanz unter normalen Betriebsbedingungen. Das Impedanzverhältnis ist die gemessene Impedanz von einem Gruppensensor geteilt durch die Zellenimpedanz unter normalen Betriebsbedingungen. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
In einer Ausführungsform kann die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung Gl. 4 sein mit dem untersuchten Impedanzverhältnis jeder Zellengruppe anstelle der Impedanz jeder Zellengruppe. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
In einer Ausführungsform kann die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung die folgende Gleichung sein:
worin die Änderungsrate jeder Zellengruppe verglichen wird gegen die Änderungsrate der Impedanz in einer normalen Zellengruppe zum Bestimmen, ob ein nicht-systemisches Ereignis innerhalb jeder Zellengruppe abläuft. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform. Es wird in Betracht gezogen, dass die Änderungsrate in einer normalen Zellengruppe entweder eine eingestellte Schwelle oder ein Vergleich der Änderungsgeschwindigkeit in den elektrischen Eigenschaften jeder Zellengruppe 5 im Brennstoffzellenstapel 1 gegeneinander und die Identifikation von ausgelagerten Messungen sein könnte, was darauf hinweisen könnte, dass in mindestens einer Zellengruppe 5 ein nicht-systemisches Ereignis auftritt.
In einer Ausführungsform können die Schwellenwertgleichung 304 und die Wiederholung 308 der Schwellenwertgleichung folgende Gleichung sein: d(Zellengruppen-Impedanz) / dt ≥ ξ Gl. 7 worin die Änderungsrate in einer Zellengruppe verglichen wird mit der Änderungsrate der Impedanz in einer normalen Zellengruppe zum Bestimmen, ob ein nicht-systemisches Ereignis innerhalb dieser Zellengruppe auftritt. Tabelle 1 ist ein Beispiel des Steuerungsvorgangs 306 für diese Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 5A und 5B beinhaltet eine Ursache von Brennstoffzellenumpolung die Verarmung eines Reaktionspartners, was die Spannung (V_Zelle) der Brennstoffzelle 15 umkehrt (d. h. Reaktionspartnerverarmungs-basierter Umkehrmodus) oder Umkehrung durch Impedanzverluste d. h. IR-Verlust-basierter Umkehrmodus). Es wird in Betracht gezogen, dass Luftverarmung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 keine Brennstoffzellenumpolung verursacht. Solche Umkehrungen aufgrund von Luftverarmung sind viel geringer als etwa –1 Volt pro Brennstoffzelle 15 und typischerweise im Bereich von etwa –0,1 Volt pro Brennstoffzelle 15.
Die Reaktionspartnerverarmungs-basierte Umkehrmodus führt typischerweise zu Brennstoffzellenumpolung von weniger als etwa –1 Volt, wenn die Elektrode der Brennstoffzelle 15 Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) in Gegenwart von Wasser oder Kohlenstoffkorrosionsreaktion (COR) fördern kann. Obwohl COR Elektrodenabbau bewirkt, kann es keinen Kurzschluss verursachen. Jedoch kann, nachdem der Kohlenstoff in der Elektrode der Brennstoffzelle 15 verbraucht ist, dieser keine dieser Reaktionen unterstützen, außer dass dann die Spannung der Brennstoffzelle 15 unter etwa –1 Volt sinken kann und einen Kurzschluss verursachen kann. Ein Kurzschluss ist definiert als eine konzentrierte Menge von Strom in einer oder beiden der Brennstoffzelle-15-Elektroden. Ein Kurzschluss kann zu bleibenden Schäden der Brennstoffzelle 15 wie ein Loch in der bipolaren Platte (z. B. ersten bipolaren Platte 55A und/oder zweiten bipolaren Platte 55B in 5B) führen. Ein weicher Kurzschluss führt zu keinen bleibenden Schäden, verursacht aber parasitären Energieverlust bei der Leistungserzeugung der betroffenen Brennstoffzelle 15. Abhilfeaktionen wie vorstehend erläutert kann auf die Reparatur weicher Kurzschlüsse maßgeschneidert werden.
Brennstoffzellenumpolung kann auch durch IR-Verluste innerhalb der Brennstoffzelle 15 auftreten. „V_Zelle = V_e-IR = V_e – Σj × R”, worin V_e die Spannung der Elektrode (d. h. entweder der ersten Bipolarplatte 55A oder der zweiten Bipolarplatte 55B in 5B) ist, I der resultierende Strom ist, j der fraktionierte Strom und R die Summe des elektronischen Widerstands der Elektrode, der DM und des protonischen Widerstands des MEA 50 ist.
5A zeigt eine Draufsicht des MEA 50 und 5B ist eine Seitenansicht eines Schnittes einer Zellengruppe 5 umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen 15 und Markieren einer Stelle in der Mitte der Brennstoffzelle 15B, in der ein Strom gebündelt ist. Zunächst mit Bezug auf 5A ist die MEA 50 einer Brennstoffzelle 15 mit einem Anodeneingang 200, einem Anodenausgang 201, einem Kathodeneingang 202 und einen Kathodenausgang 203 dargestellt. Eine gemeinsame Ursache von Brennstoffzellenumpolung ist Stromdichte-Fehlverteilung. Stromfluss ist in 5A und 5B als Pfeile dargestellt und Stromdichte-Fehlverteilung ist eine Reihe oder Konzentration von Pfeilen nahe beieinander. Stromdichte-Fehlverteilung kann auftreten aufgrund entweder genannter Reaktionspartnerverarmung oder übermäßigem Membranaustrocknen. Bei Reaktionspartnerverarmung bewegt sich die Stromdichte (dargestellt durch die Strichpunktlinie) in die Nähe von Anodeneingang 200, wie in 5A gezeigt, und konzentriert sich dort. Im Falle eines übermäßigen Membranaustrocknens bewegt sich die Stromdichte in den nassesten Bereich der MEA 50 in der Nähe des Kathodenausgangs 203 und konzentriert sich dort.
Wie unter Bezugnahme auf 5B gezeigt ist, führt die Stromverteilung in einer Brennstoffzelle 15, die eine Brennstoffzellenumpolung (z. B. zentrale Brennstoffzelle 15B) erfährt, für jeden Fall der Stromfehlverteilung zu einem Ebenenstrom in der Bipolarplatte 55 (z. B. die erste Bipolarplatte 55A und/oder die zweite Bipolarplatte 55B) und DM wiederum verursacht einen großen Spannungsabfall (IR) aufgrund von Impedanzverlusten in der Brennstoffzelle 15 (z. B. zentrale Brennstoffzelle 15B). Der Ebenen-Strom in den bipolaren Platten 55A und 55B ist in der mittleren Brennstoffzelle 15B als Serie von Pfeilen dargestellt, die die Richtung des Stromflusses innerhalb der Bipolarplatten 55A, 55B andeuten. Die in Bezug auf 5A diskutierte Stromdichtefehlverteilung ist in der mittleren Brennstoffzelle 15B dargestellt als eng beieinander liegende parallele Pfeile durch die MEA 50 von der zweiten Bipolarplatte 55B zur ersten Bipolarplatte 55A. Die äußere Brennstoffzellen 15 (z. B. obere Brennstoffzelle 15A und untere Brennstoffzelle 15C) veranschaulichen eine Brennstoffzelle 15 im Normalbetrieb mit einer gleichmäßigen Stromdichte.
Wie in vertikal benachbarten Brennstoffzellen 15 veranschaulicht (z. B. obere Brennstoffzelle 15A, zentrale Brennstoffzelle 15B und untere Brennstoffzelle 15C) in 5B, kann der in der Ebene liegende Weg in Zehntel Zentimetern im Vergleich zum normalen Betrieb sein, wo Strom sich durch eine Ebene bewegt und der Weg weniger als 0,5 Millimeter (oder in der Reihenfolge von 100x) beträgt. Diese große und lange ebeneninhärente Wegverlängerung resultiert in einem hohen Widerstand, der über Impedanz, Hochfrequenzwiderstand oder entsprechenden Spannungsabfall gemäß dem IR-Verlust durch einen Gruppensensor 7, zum Erfassen einer Brennstoffzellenumpolung in der Brennstoffzelle 15 gemessen werden kann.
Experimentelle Ergebnisse
6 zeigt grafisch Brennstoffzellenumpolung aufgrund eines nicht-systemischen Fehlers wie Reaktionspartnerverarmungs-basierter Umkehrmodus (d. h. Anodenverarmung einer Brennstoffzelle in einem Fünf-Zellen-Brennstoffzellenstapel). Die Längsachse veranschaulicht die Zeit in Sekunden, während die vertikale Achse links die Stromdichte darstellt [A/m²], Anodenstöchiometrie (Verhältnis), Spannung [V] und Impedanz, d. h. Widerstand [Ωcm²]. Ein Brennstoffzellenstapel umfassend fünf hintereinander geschaltete Brennstoffzellen wurden zum Sammeln der Daten verwendet, grafisch dargestellt in 6. Ein Sensor (z. B. Gruppensensor 7 der 2) war zum Erfassen von Spannung, Impedanz und IR des Brennstoffzellenstapels insgesamt an dem Brennstoffzellenstapel angeschlossen. Mit anderen Worten, der Sensor erfasst die elektrischen Eigenschaften der Zellengruppe und nicht die jeder einzelnen Brennstoffzelle.
Ein nicht-systemischer Fehler wurde in den Fünf-Zellen-Stapel eingebracht durch Blockierung einiger Anodenkanäle 181 (5B) in einer zentralen Brennstoffzelle (d. h. Nr. 3), sodass diese bei niedriger Anodenstöchiometrie arbeitete (Dreiecks Diagramm) als der Rest der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel wurde bei einer konsistenten Stromabgabe von konstanter Stromdichte (X-Diagramm) von etwa 0,6 A/cm² betrieben. Bei etwa 2200 Sekunden wurde die Anodenstöchiometrie (Dreiecksdiagramm) auf nahe eins verringert. Während die nicht verarmten Brennstoffzellen (Nr. 1, 2, 4 und 5) nicht umgepolt wurden, (in 6 nicht gezeigt), wurde die verarmte Brennstoffzelle (d. h. Nr. 3) umgepolt von etwa +0,8 Volt auf etwa –1,6 Volt (Rautendiagramm). Gleichzeitig erhöhte sich die Impedanz (Kreisdiagramm) der Brennstoffzelle Nr. 3 auf etwa 3 Ωcm² und die IR-korrigierte Spannung (d. h. Elektrodenspannung V_e) (quadratisches Diagramm) ist etwa –0,4 Volt. Es wird angemerkt, dass normale Impedanzwerte einer Brennstoffzelle keine Umpolung in der Größenordnung von etwa 0,05 Ωcm²erfahren. Vergleichen des Impedanzwertes (Kreisdiagramm) der 6 mit den normalen Impedanzwerten ergibt, dass der Impedanzwert der Brennstoffzelle Nr. 3 sich um einen Faktor 60 erhöht. Es wird angemerkt, dass die erfasste Impedanzerhöhung aufgrund von Reaktionspartnerverarmungs-basierter Umpolung einer Brennstoff-Einzel-Zelle in einer Gruppe von Brennstoffzellen durch den mit dem Fünf-Zellen-Brennstoffzellenstapel verbundenen Sensor erfasst wurde.
Unter Bezugnahme auf 2 ist die Impedanzerhöhung in einer Brennstoffzelle 15 erkennbar an einer Impedanzänderung der gesamten Zellengruppe 5. Beispielsweise kann für Zellengruppe 5 umfassend fünfzig Brennstoffzellen 15 im Normalbetrieb die Impedanz der Zellengruppe 5 etwa 0,05 Ωcm² × 50 = 2,5 Ωcm² sein. Die gleiche Gruppe 5 mit einem Fehler, wenn beispielsweise eine Brennstoffzelle eine Brennstoffzellenumpolung erfährt, kann die Impedanz der Zellengruppe 5 etwa 0,05 Ωcm² × 49 + (3 Ωcm² × 1) = 5,45 Ωcm². Der Faktor „3 Ωcm²“ in (3 Ωcm² × 1) Teil der Gleichung zeigt, dass die Brennstoffzelle, die Brennstoffzellenumpolung erfährt, einen Impedanzwert von etwa 3 Ωcm² aufweist wie vorstehend bezugnehmend auf 6 diskutiert. Diese Berechnung veranschaulicht, dass, wenn eine Zellengruppe 5 der fünfzig seriell verbundenen Brennstoffzellen eine Brennstoffzelle mit Brennstoffzellenumpolung enthält, die durch den Gruppensensor 7 erfasste Impedanz auf etwa das Doppelte von etwa 2,5 Ωcm² bis etwa 5,45 Ωcm²steigen kann. Mit anderen Worten, die Impedanzwert der normierten pro Brennstoffzelle 15 erhöhen würde von etwa 0,05 (2,5/50) Ωcm² bis etwa 0,109 (5,45/50) Ωcm².
7 zeigt grafisch einen anderen Datensatz aufgrund eines Reaktionspartnerverarmungs-basierten Umpolungsmodus, d. h. Anodenverarmung einer Brennstoffzelle in einem Drei-Zelle-Brennstoffzellenstapel, der mit etwa 0,6 A/cm² arbeitet. Ein Brennstoffzellenstapel umfassend drei Brennstoffzellen (Nr. 1, 2 und 3) wurde betrieben mit einigen Gasfeldern (d. h. einer oder mehrere der Anodenkanäle 181 (5B)) der Brennstoffzelle Nr. 2 wurden blockiert. Zellenspannung und Impedanz wurden an verschiedenen Stellen der Brennstoffzelle Nr. 2 gemessen. Außerdem wurden die Impedanzdaten bei unterschiedlichen Gruppenfrequenzen von etwa 100 Hz bis etwa 10 kHz gesammelt. 7 zeigt Folgendes: die Brennstoffzellenstapel-Spannung (Kreisspur), die Brennstoffzellenstapel-Impedanz (Sechskantdiagramm), die Brennstoffzellenspannung für Brennstoffzellen Nr. 1 und 3 (quadratisches Diagramm); Impedanz für Brennstoffzellen Nr. 1 und 3 (Dreiecksdiagramm); die Impedanz für Brennstoffzelle Nr. 2 (Rautendiagramm); eine Brennstoffzellenspannung für Brennstoffzelle Nr. 2 (X-Diagramm). Ein erster elektrischer Eigenschaftssensor (z. B. Gruppensensor 7 (2)) wurde an Brennstoffzelle Nr. 1 verbunden, ein zweiter elektrischer Eigenschaftssensor wurde an Brennstoffzelle Nr. 2 verbunden, ein dritter elektrischer Eigenschaftssensor wurde an Brennstoffzelle Nr. 3 verbunden und ein Stapelsensor wurde an den Brennstoffzellenstapel verbunden. Wie dargestellt, erfuhren, als die Anodenstöchiometrie des Brennstoffzellenstapels reduziert wurde, die Brennstoffzellen Nr. 1 und 3 keine Anodenverarmung und wurden daher nicht umgepolt. Jedoch erfuhr Brennstoffzelle Nr. 2 Anodenverarmung und zeigte Brennstoffzellenumpolung. Gleichzeitig erhöhten sich die Impedanz des Stapels (Sechskantdiagramm) und der Zelle Nr. 2 (Rautendiagramm) von etwa 1 Ωcm² auf 6,5 Ωcm² oder nahe etwa 120-mal des Normalwerts. Bei etwa 998 Sekunden und weiter wurde die Stromdichte null (0 A/cm²) durch die Freisetzung der elektrischen Last, während H₂ und Luft kontinuierlich zu dem Brennstoffzellenstapel geliefert wurden.
8 ist eine grafische Darstellung des Impedanzverhältnisses einer Brennstoffzelle, die Brennstoffzellenumpolung bei unterschiedlichen Gruppenfrequenzen erfährt: 100 Hz (Kreisdiagramm), 200 Hz (Dreiecksdiagramm), 300 Hz (Rautendiagramm), 500 Hz (quadratisches Diagramm) und 10 kHz (X-Diagramm). Wenn die Spannung einer Brennstoffzelle, die Brennstoffzellenumpolung erfährt, sich in negativer Richtung erhöht (d. h. negative Spannung erhöht sich unter null), erhöht sich die Impedanz ebenfalls. An repräsentativen Punkten in 8 stellen die drei vertikalen Achsen das Impedanzverhältnis von etwa 32% 230, 75% 231 und 113% 232 über alle fünf Diagramme dar.
Bei etwa –2 Volt ist das Impedanzverhältnis ähnlich unabhängig von der Frequenz, wenn jedoch die Umpolung der Brennstoffzelle zunimmt, ergibt eine größere Umpolung der Zellenspannung ein größeres Impedanzverhältnis. Es wird in Betracht gezogen, dass die Impedanz der MEA 50 bei normalem Betriebszustand bei höheren Frequenzen niedriger werden kann, da der Sensor keine Elektrodeneffekte berücksichtigt. 8 zeigt, dass, unabhängig von der Gruppenfrequenz angewendet auf eine einzelne Brennstoffzelle einer Zellengruppe, sich das Impedanzverhältnis erhöht, wenn die Größe der Zellenspannung der Brennstoffzelle, die Brennstoffzellenumpolung erfährt, sich erhöht. Es wird in Betracht gezogen, dass die Gruppenfrequenz zum Bereitstellen der größten Erhöhung des Impedanzverhältnisses maßgeschneidert werden kann, wenn die Brennstoffzelle Brennstoffzellenumpolung erfährt. Beispielsweise wird betrachtet, dass, je höher die Gruppenfrequenz ist, desto größer ist das Impedanzverhältnis. Selbstverständlich muss die Gruppenfrequenz Grundrauschen, Signalverlust usw. berücksichtigen.
9 zeigt grafisch Impedanz und Spannung eines Brennstoffzellenstapels mit fünf Brennstoffzellen während Austrocknens der MEA aufgrund eines nicht-systemischen Ereignisses wie etwa IR-Verlust basierend auf Umpolungsmodus. Ein nicht-systemischer Fehler wurde in einen Fünf-Zellen-Stapel durch Blockierung einiger Kühlmittelkanäle 182 (5B) für eine zentrale Brennstoffzelle (d. h. Nr. 3) eingebracht, sodass er bei maximalem Stromausgang mit der Kühlmitteltemperatur auf ihrem maximal zulässigen vordefinierten Wert der Stromdichte (Kreisdiagramm) mit 1,1 A/cm² bei einer Kühlmitteltemperatur von 95 °C arbeitete. Mit einigen, jedoch nicht allen, Kühlmittelkanälen 182 der Brennstoffzelle Nr. 3 blockiert, arbeitete die Brennstoffzelle Nr. 3 bei einer 10 °C höheren Temperatur verglichen mit Brennstoffzellen Nr. 1, 2, 4 und 5, nahe 105 °C. Die relative Feuchtigkeit des Einlasses der Brennstoffzelle Nr. 3 wurde auf etwa 25% reduziert derart, dass beim Vergleichen der relativen Feuchte der Auslässe aller fünf Brennstoffzellen die Brennstoffzellen Nr. 1, 2, 4 und 5 etwa 70% relativer Feuchte am Kathodenausgang aufwiesen, während Brennstoffzelle Nr. 3 etwa 50% Feuchtigkeit an ihrem Kathodenausgang aufwies. Unter diesen Betriebsbedingungen erfuhr Brennstoffzelle Nr. 3 Brennstoffzellenumpolung nach etwa 5438 Sekunden nach Starten des Brennstoffzellenstapels. Brennstoffzelle Nr. 3 polte um auf etwa –5 Volt (Dreiecksdiagramm) und die zugehörige Impedanz der Brennstoffzelle Nr. 3 steigt von etwa 0,05 Ωcm² auf etwa 2,8 Ωcm² (quadratisches Diagramm). Die Impedanz des Brennstoffzellenstapels erhöhte sich ebenfalls von etwa 0,4 Ωcm² auf etwa 3 Ωcm² (Rautendiagramm). Die Impedanz der verbleibenden Zellen, Brennstoffzelle Nr. 1, 2, 4 und 5 (X-Diagramm) verblieben auf etwa 0,1 Ωcm² über die Brennstoffzellenumpolung. Dies ist etwa 30 × (3 Ωcm²/0,1 Ωcm²) Verstärkung der Impedanz der Brennstoffzelle Nr. 3 gegenüber der Impedanz der verbleibenden Brennstoffzellen.
Unter Bezugnahme jetzt auf 10 ist die Änderungsrate der Impedanz während eines nicht-systemischen Ereignisses dargestellt. 10 verwendet die Daten für Brennstoffzelle Nr. 2 in 7 bei unterschiedlichen Gruppenfrequenzen: 100 Hz (Kreisdiagramm) und 10 kHz (Dreieckdiagramm). Es wird in Betracht gezogen, dass ein anderer Erfassungsansatz von nicht-systemischen Fehlern eine Überwachungsrate der Impedanzänderung ( d(Impedanz) / dt) zum Unterscheiden der Impedanzerhöhung aufgrund nicht-systemischer Fehler verwenden könnte. So wird beispielsweise betrachtet, dass zwei nicht-systemische Ereignisse identifiziert und unterschieden werden können durch Verwenden von Gl. 8 nachstehend. Die Dynamik der Impedanz-Anstiegsrate aufgrund von Stromfehlverteilung (d. h. der erste Term auf der linken Seite) kann unterschieden werden von der Impedanz-Anstiegsrate aufgrund von Membran-Hydratisierung (d. h. der zweite Term auf der linken Seite). ( d(Impedanz gemessen durch den Gruppensensor) / dt – d(Impedanz gemessen durch das Wassergleichgewichts-Überwachungsmodul) / dt) = ∝ Gl. 8
Unter Verwendung von Gl. 8 ist diese, wenn die Differenz α einen Schwellenwert übersteigt, ein Anzeichen für Stromfehlverteilung in einer Brennstoffzelle und kann verwendet werden, um eine Notmaßnahme auszulösen. Eine Abhilfemaßnahme könnte ähnlich einer Steuerungsmaßnahme der Leistungsbegrenzung oder Abschaltung sein, wie hier ausführlich erläutert wurde.
10 zeigt auch Änderungen aufgrund von Alterung der Brennstoffzelle. Die Impedanzänderung für eine Brennstoffzelle, die ein nicht-systemisches Ereignis erfährt, variiert in Abhängigkeit vom Grad der Verschlechterung der Elektrode der Brennstoffzelle. Ein Gruppensensor für eine Zellengruppe von neuen Brennstoffzellen (d. h. „Beginn der Lebensdauer“) wird dargestellt durch die neuen Diagramme 190, bevor sich die Brennstoffzellen verschlechterten. Beginn der Lebensdauer kann die Zeit meinen, wenn der Brennstoffzellenstapel entweder in Betrieb geht oder vollständig neu ist. Ein Satz von Diagrammen 191 („gealtert“) ist dargestellt zum Hervorheben der Differenz des Alters einer Brennstoffzelle und ein Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellenstapel spielt in gemessenen Impedanzwerten im Vergleich zu den neuen Diagrammen 190. Es wird in Betracht gezogen, dass ein Diagnosealgorithmus zum Erfassen nicht-systemischer Fehler das Alter und/oder den Inbetriebnahmezeitpunkt der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels bei der Überwachung und Identifizierung nicht-systemischer Ereignisse berücksichtigt. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuerung 30 eine Tabelle oder ein Diagramm zum Einstellen der einen oder mehrerer Schwellenwerte, gespeichert im Speicher und verwendet zun Identifizieren nicht-systemische Ereignisse verwenden kann, da der Brennstoffzellenstapel 1 altert.
Die Fähigkeit zur Identifizierung eines nicht-systemischen Ereignisses oder Fehlers innerhalb eines Brennstoffzellenstapels mit einer minimalen Menge von Sensoren und zugehörigen Vorrichtungen ermöglicht einer Steuerung das Eliminieren oder mindestens Verringern der Menge von Beschädigungen einer Brennstoffzelle und kann die Fähigkeit des Brennstoffzellenstapels zum Weiterbetrieb erhöhen, um das Fahrzeug zum Reparaturort zu bringen. Aufgrund kurzfristiger Änderungen der elektrischen Eigenschaften ist, wenn eine Brennstoffzelle ein nicht-systemisches Ereignis erfährt, Überwachung der einzelnen Brennstoffzellen erforderlich. Wie hier beschrieben, ist das Gruppieren von Brennstoffzellen eine Alternative zur Überwachung einzelner Brennstoffzellen. Gruppieren der Brennstoffzellen reduziert die Komplexität der Überwachung und reduziert die Anzahl der benötigten Komponenten zum Überwachen des Intaktheitszustands des Brennstoffzellenstapels.
Es wird angemerkt, dass der Begriff „Sensor“, wie hierin verwendet, eine Vorrichtung bedeutet, die eine physikalische Größe misst und diese in ein Signal wandelt, das dem gemessenen Wert der physikalischen Größe entspricht. Weiterhin, der Begriff „Signal“ bedeutet einer elektrischen, magnetischen oder optischen Wellenform, wie Strom, Spannung, Fluss, DC, AC, sinusförmige Welle, dreieckige Welle, rechteckförmigen und dergleichen, in der Lage ist, übertragen von einem Standort zu einem weiteren. Es sollte verstanden werden, dass die Polarität zum elektrischen Eigenschaften für Referenz- und umgekehrt sein kann, je nach Sensor Verbindungen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Polarität angegebenen zeigt die bevorzugte Anschlüssen.
Sofern nicht anders definiert, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsformen dieser Erfindung gehören, verstanden werden. Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, beinhalteten die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt.
Darüber hinaus wird der Begriff „im Wesentlichen“ und „etwa“ hier verwendet, um einen inhärenten Grad an Ungewissheit auszudrücken, die jedem quantitativen Vergleich, Wert, jeder Abmessung oder jeder Darstellung innewohnen kann. Der Begriff wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne die grundlegende Funktion des Gegenstands zu ändern.
Bestimmte Terminologie dient in der Offenbarung zu Komfort- und nicht zu Einschränkungszwecken. Die Worte „links“, „rechts“, „Vorderseite“, „zurück“, „obere“ und „untere“ kennzeichnen Richtungen Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Terminologie beinhaltet die vorstehenden Worte sowie Derivate davon und Worte mit ähnlicher Bedeutung.
Hier und nachfolgend wird der Begriff „Impedanz” verwendet im Sinne der elektrischen Impedanz, was ohmsche sowie kapazitive und/oder induktive Komponenten umfassen kann. Dementsprechend betrifft der Begriff „Impedanzwert“ im Allgemeinen einen komplexen Wert oder einen Vektor von Werten, der entweder eine oder alle Impedanzkomponenten reflektiert. In einigen Ausführungsformen ist die Impedanz ein ohmscher Widerstand und der entsprechende Impedanzwert ist ein Widerstandswert. Jedoch können kapazitive und/oder induktive Impedanzkomponenten alternativ oder zusätzlich zu einer ohmschen Impedanzkomponente ausgewertet werden. Der Begriff „Impedanzwert“ kann ferner als Wert korrelierend mit und von einer Impedanz oder Impedanzkomponente wie eine spezifische Leitfähigkeit, Kapazität oder dergleichen sowie mit einem elektrischen Messen einer Impedanz oder Impedanzkomponente wie der Spannungsabfall über eine Impedanz bezeichnet werden.
Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es für einen Sachverständigen auf dem Gebiet ersichtlich, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Weiterhin müssen, obwohl verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstands hier beschrieben wurden, solche Aspekte nicht in Kombination verwendet werden. Es ist daher vorgesehen, in den beigefügten Patentansprüchen alle Änderungen und Modifikationen zu behandeln, die innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE-802-Serienstandards [0026]

Claims

Brennstoffzellenstapel umfassend eine Vielzahl von Zellengruppen und eine Steuerung, worin: jede Zellengruppe eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Gruppensensor beinhaltet; der Gruppensensor eine oder mehrere elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Zellengruppe misst; die Steuerung einen oder mehrere Prozessoren und Speicher umfasst; die Steuerung kommunikativ mit jedem Gruppensensor verbunden ist; und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen ausführen zum Vergleichen einer gemessenen elektrischen Eigenschaft jeder Zellengruppe mit einem oder mehreren Schwellenwerten, die im Speicher gespeichert sind, und Anzeigen der Notwendigkeit zum Diagnostizieren des Brennstoffzellenstapels, wenn der Vergleich ein nicht-systemisches Ereignis zeigt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin die elektrische Eigenschaft eine Impedanz der Zellengruppe ist und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen Impedanz jeder Zellengruppe mit einer Impedanzschwelle im Speicher ausführen und ein nicht-systemisches Ereignis anzeigen, wenn die gemessene Impedanz von einer oder mehreren Zellengruppen etwa gleich oder größer als der Impedanz-Schwellenwert ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, worin der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Modifizieren des Impedanz-Schwellenwerts ausführen, da die Zellengruppe altert.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin die elektrische Eigenschaft eine Impedanz der Zellengruppe ist und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Messen einer Änderungsrate der Impedanz der jeweiligen Zellengruppe ausführen und ein nicht-systemisches Ereignis in der Zellengruppe anzeigen, wenn die Änderungsrate der Impedanz der Zellengruppe etwa gleich oder größer ist als eine Rate des Impedanzänderungs-Schwellenwerts.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen ausführen zum Vergleichen der elektrischen Eigenschaftsmessungen jeder Zellengruppe; und Identifizieren jeder beliebigen Zellengruppe mit elektrischen Eigenschaften, die größer sind als ein Trennungsfaktor der elektrischen Eigenschaften des Rests der Zellengruppen im Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin die elektrische Eigenschaft eine Gruppenfrequenz umfasst und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Messen der Impedanz jeder Zellengruppe bei der Gruppenfrequenz ausführen.
V nach Anspruch 6, worin die Gruppenfrequenz zwischen etwa 100 Hz und etwa 10 kHz liegt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, worin die Gruppenfrequenz eingestellt wird, um die Größe der gemessenen Impedanz jeder Zellengruppe derart zu erhöhen, dass eine niedrigere Frequenz eine größere Höhe der gemessenen Impedanz ergibt und eine höhere Frequenz eine geringere Größe der gemessenen Impedanz ergibt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin die elektrische Eigenschaft eine Spannung der Zellengruppe ist und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen Spannung einer jeweiligen Zellengruppe mit einer Spannungsschwelle ausführen und ein nicht-systemisches Ereignis anzeigen, wenn die gemessene Spannung von einer oder mehreren Zellengruppen etwa gleich oder kleiner als der Spannungsschwellenwert ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, worin der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Modifizieren des Spannungsschwellenwerts ausführen, da die Zellengruppe altert.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin die elektrische Eigenschaft eine Spannung der Zellengruppe ist und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen ausführen zum Messen einer Änderungsgeschwindigkeit der Spannung der jeweiligen Zellengruppe, und Anzeigen eines nicht-systemischen Ereignisses in der Zellengruppe, falls die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung der Zellengruppe etwa gleich oder größer ist als eine Rate des Spannungsänderungs-Schwellenwerts.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin ein erster Schwellenwert und ein zweiter Schwellenwert im Speicher gespeichert werden und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen ausführen zum Vergleichen der gemessenen elektrischen Eigenschaften mit dem ersten Schwellenwert und dem zweiten Schwellenwert; Ausführen einer ersten Notmaßnahme, wenn der Vergleich der gemessenen elektrischen Eigenschaft mit dem ersten Schwellenwert eine nicht-systemisches Ereignis zeigt; Ausführen einer zweiten Notmaßnahme, wenn beide Vergleiche der gemessenen elektrischen Eigenschaft mit dem ersten Schwellenwert und dem zweiten Schwellenwert ein nicht-systemisches Ereignis zeigen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, worin die erste Notmaßnahme das Erhöhen der Strömung eines Reaktionsmittels durch den Brennstoffzellenstapel ist und die zweite Notmaßnahme das Abschalten des Brennstoffzellenstapels ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, worin die erste Notmaßnahme das Verringern einer elektrischen Belastung des Brennstoffzellenstapels ist und die zweite Notmaßnahme das Abschalten des Brennstoffzellenstapels ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, worin der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbaren Code ausführen zum Vergleichen der gemessenen elektrischen Eigenschaft mit dem ersten Schwellenwert nach der ersten ausgeführten Notmaßnahme; Wiederaufnehmen des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels, wenn der Vergleich der gemessenen elektrischen Eigenschaft mit dem ersten Schwellenwert keinen nicht-systemischen Fehler mehr zeigt; Vergleichen der gemessenen elektrischen Eigenschaft mit dem zweiten Schwellenwert nach der zweiten ausgeführten Notmaßnahme; und Wiederaufnehmen des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels, wenn die beiden Vergleiche der gemessenen elektrischen Eigenschaft mit dem ersten Schwellenwert und dem zweiten Schwellenwert keinen nicht-systemischen Fehler mehr zeigen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, worin Überwachung einzelner Brennstoffzellen nicht obligatorisch ist.
Brennstoffzellen-Antriebssystem, umfassend eine Steuerung, einen Brennstoffzellenstapel, ein oder mehrere Ventile und einen oder mehrere Kraftstoffspeicher, worin: das eine oder die mehreren Ventile fluidisch mit einem oder mehreren Kraftstoffspeicher(n) an den Brennstoffzellenstapel verbunden ist/sind; jeder Kraftstoffspeicher entweder einen Reaktionspartner oder Luft speichert; der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Zellengruppen beinhaltet; jede Zellengruppe eine Vielzahl von Brennstoffzellen und einen Gruppensensor beinhaltet; der Gruppensensor eine oder mehrere elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Zellengruppe misst; die Steuerung einen oder mehrere Prozessoren und Speicher umfasst; die Steuerung kommunikativ mit jedem Gruppensensor verbunden ist; und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen ausführen zum Vergleichen einer gemessenen elektrischen Eigenschaft mit einem oder mehreren im Speicher gespeicherten Schwellenwerten, und Betätigen des einen oder mehrerer Ventile zum Einstellen des Flusses des Reaktionspartners oder der Luft aus den Kraftstoffspeichern zum Brennstoffzellenstapel, wenn der Vergleich ein nicht-systemisches Ereignis zeigt.
Brennstoffzellen-Antriebssystem nach Anspruch 17, worin die elektrische Eigenschaft eine Impedanz der Zellengruppe ist und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen Impedanz jeder Zellengruppe mit einem Impedanz-Schwellenwert im Speicher ausführen und ein nicht-systemisches Ereignis anzeigen, wenn die gemessene Impedanz von einer oder mehreren Zellengruppen etwa gleich oder größer ist als der Impedanz-Schwellenwert.
Brennstoffzellen-Antriebssystem nach Anspruch 17, worin der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen ausführen zum Vergleichen der elektrischen Eigenschaftsmessungen jeder Zellengruppe; und Identifizieren jeder Zellengruppen mit elektrischen Eigenschaften, die größer sind als ein Trennungsfaktor von den elektrischen Eigenschaften des Rests der Zellengruppen im Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellen-Antriebssystem nach Anspruch 17, worin die elektrische Eigenschaft eine Spannung der Zellengruppe ist und der eine oder die mehreren Prozessoren maschinenlesbare Anweisungen zum Vergleichen einer gemessenen Spannung einer jeweiligen Zellengruppe mit einem Spannungsschwellenwert ausführen und ein nicht-systemisches Ereignis anzeigen, wenn die gemessene Spannung von einer oder mehreren Zellengruppen etwa gleich oder kleiner ist als der Schwellenwert.