DE102019100252A1 - Zellenumpoldiagnose für einen brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Abstract

Ein Umpolungsereignis der Brennstoffzelle wird diagnostiziert, indem die Stromdichte über eine Steuerung integriert wird, um eine akkumulierte Ladungsdichte zu ermitteln. Die Steuerung führt eine Steuerungsmaßnahme aus, wenn die akkumulierte Ladungsdichte einen Schwellenwert überschreitet, einschließlich des Aufzeichnens eines Diagnosecodes, der den Schweregrad des Ereignisses anzeigt. Die Steuerungsmaßnahme kann das Fortsetzen des Stapelbetriebs bei reduzierter Leistungsfähigkeit beinhalten, wenn die akkumulierte Ladungsdichte einen ersten Schwellenwert überschreitet, und das Abschalten des Stapels, wenn die akkumulierte Ladungsdichte einen höheren zweiten Schwellenwert überschreitet. Das Ereignis kann durch das Berechnen einer Spannungsdifferenz zwischen einer durchschnittlichen und einer minimalen Zellenspannung und das anschließende Ermitteln, ob die Differenz einen Spannungsdifferenzschwellenwert überschreitet, erkannt werden. Die Ladungsdichte-Schwellenwerte können basierend auf Alter, Betriebszustand und/oder Temperatur der Brennstoffzelle oder des Stapels angepasst werden. Ein Brennstoffzellensystem beinhaltet den Stapel und eine Steuerung.

Description

  • EINLEITUNG
  • Brennstoffzellenstapel sind Energieumwandlungsvorrichtungen, bei denen Strom durch eine kontrollierte elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird. Eine Brennstoffzelle kann bis zu 1 Volt Strom produzieren, weshalb eine große Anzahl von identisch konfigurierten Brennstoffzellen typischerweise zu einem Stapel zusammengesetzt werden. Die Anzahl und Konfiguration der Brennstoffzellen bestimmt letztlich die Leistungsfähigkeit des Stapels. Polymere Elektrolytmembran/Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzellen sind eine Art von Brennstoffzelle, die häufig zur Stromerzeugung in Hochleistungsanwendungen, wie beispielsweise Stromversorgungen in Fahrzeugen, Kraftwerken und Gebäuden, eingesetzt wird.
  • Obwohl Brennstoffzellen im Allgemeinen eine zuverlässige und saubere Energiequelle darstellen, sind sie gelegentlich in einem Zustand, der als „Zellenumpolung“ bekannt ist. In Zeiten der Zellenumpolung können die Zellenspannungen aufgrund von Anodenmangel abnehmen, z. B. durch Wasserstoffmangel an der Anode, verursacht durch eine Fehlfunktion oder Behinderung der Kraftstoffzufuhr. Eine Zellenumpolung ist aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Brennstoffzelle und der damit verbundenen Verringerung der erwarteten Lebensdauer der Brennstoffzelle unerwünscht. Brennstoffzellensysteme überwachen daher typischerweise die Zellenspannung gegen einen minimalen Spannungsschwellenwert, um den Zustand der Zellenumpolung zu erfassen und als Reaktion darauf den Betrieb des Brennstoffzellenstapels als Präventivmaßnahme zu begrenzen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Hierin ist ein Verfahren zum Diagnostizieren der Leistung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Unter Verwendung des vorliegenden Verfahrens ist eine Steuerung in der Lage, in Echtzeit zwischen schädlichen und nicht schädlichen Zellumpolungsereignissen zu unterscheiden. Der Steuerung wird somit zusätzliche Zeit eingeräumt, um Abhilfemaßnahmen zur Bewältigung der Grundursachen der Zellenumpolung zu ermöglichen, ohne den Brennstoffzellenstapel wie bei bestehenden Ansätzen unbedingt abzuschalten.
  • Das Erfassen des Zellenumpolungsereignisses kann das Berechnen einer Spannungsdifferenz zwischen einer durchschnittlichen und einer minimalen Zellenspannung der Brennstoffzelle beinhalten, wobei das Zellenumpolungsereignis erkannt wird, wenn die berechnete Differenz einen Spannungsdifferenzschwellenwert überschreitet.
  • Eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet die Integration einer Stromdichte der Brennstoffzelle im Zeitverlauf, um eine akkumulierte Ladungsdichte zu ermitteln, wobei dies als Reaktion auf das erfasste Zellenumpolungsereignis erfolgt. Eine Steuerung führt eine oder mehrere Steuerungsmaßnahmen aus, wenn die akkumulierte Ladungsdichte einen kalibrierten Schwellenwert überschreitet. Das Verfahren kann das Verwenden mehrerer derartiger Schwellenwerte beinhalten, wobei verschiedene Steuerungsmaßnahmen möglicherweise ausgelöst werden, z. B. schrittweise, wenn jeder nachfolgende Schwellenwert überschritten wird.
  • Die Steuerungsmaßnahme kann das Aufzeichnen eines Diagnosecodes beinhalten, der einen Schweregrad des erfassten Zellenumpolungsereignisses anzeigt. In einer derartigen Ausführungsform können geeignete Steuerungsmaßnahmen schwellenspezifisch sein, wie beispielsweise das vorübergehende Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels mit einer reduzierten Leistungsfähigkeit bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts und möglicherweise das Abschalten des Brennstoffzellenstapels, wenn die integrierte Ladungsdichte einen höheren Schwellenwert überschreitet. Das vorübergehende Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels mit einer reduzierten Leistungsfähigkeit kann eine Begrenzung des Stromdurchsatzes des Stapels für eine kalibrierte Zeitdauer und/oder einen erhöhten Durchfluss von Wasserstoff und/oder Luft in den Stapel beinhalten.
  • Das Verfahren kann optional das Einstellen eines oder mehrerer kalibrierter Ladungsdichte-Schwellenwerte basierend auf dem Alter, dem Betriebszustand und/oder der Temperatur der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels beinhalten.
  • Hierin wird auch ein Brennstoffzellensystem zur Verwendung mit einem Fahrzeug oder einem anderen System offenbart. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Steuerung und den vorstehend genannten Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, wobei die Steuerung einen Prozessor in Verbindung mit den Brennstoffzellen aufweist. Der Prozessor ist mit Anweisungen zum Diagnostizieren des Zellenumpolungsereignisses programmiert. Das Ausführen der Anweisungen veranlasst die Steuerung, das Zellenumpolungsereignis zu erfassen, die Stromdichte im Zeitverlauf als Reaktion auf das erfasste Schwellenwertzellenumpolungsereignis zu integrieren, um dadurch eine akkumulierte Ladungsdichte zu ermitteln und eine Steuerungsmaßnahme auszuführen, wenn die akkumulierte Ladungsdichte einen kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet.
  • Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Brennstoffzellensystems mit einer Steuerung, die konfiguriert ist, um einen Diagnoseprozess unter Verwendung eines integrierten Abbaumodells, wie hierin dargelegt, auszuführen.
    • Die 2A und 2B sind repräsentative Zeitdiagramme von Zellenspannungen, exemplarische Anoden- bzw. Kathodenverarmungs-basierte Zellenumpolungsbedingungen anzeigen.
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Diagnostizieren des Brennstoffzellenstapels von 1 beschreibt.
  • Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Allerdings sind die neuartigen Aspekte der Offenbarung nicht auf die in den Zeichnungen veranschaulichten besonderen Formen beschränkt. Vielmehr deckt die Offenbarung Änderungen, Äquivalente, Kombinationen und/oder andere Alternativen ab, die in den Schutzumfang der Offenbarung fallen, wie sie durch die beigefügten Patentansprüche definiert sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Bezugnehmend auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren verweisen, wird ein Brennstoffzellensystem 20 schematisch in 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 20 kann zum Erzeugen von elektrischer Energie für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. So kann beispielsweise das Brennstoffzellensystem 20 zur Onboard-Energieerzeugung in dem veranschaulichten Fahrzeug 10 eingesetzt werden. Das exemplarische Fahrzeug 10 kann eine Fahrzeugkarosserie 12 und Reihe von Antriebsrädern 14 in rollendem Reibungskontakt mit der Straßenoberfläche 15 beinhalten. Elektrizität aus dem Brennstoffzellensystem 20 in einem derartigen Fahrzeug 10 könnte die Antriebsräder 14 mit Energie versorgen, z. B. durch das Antreiben einer oder mehrerer elektrischer Maschinen (nicht dargestellt), um letztlich die Räder 14 zu drehen und/oder elektrische Systeme im Fahrzeug zu betreiben. Fahrzeuge und andere als das veranschaulichte Kraftfahrzeug 10 können von der Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems 20 profitieren, z. B. Schienenfahrzeuge/Züge, Luft- und Raumfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge. Ebenso können nicht-fahrzeuggebundene Anwendungen, wie beispielsweise Kraftwerke, mobile Plattformen, Robotersysteme oder Beleuchtungssysteme, ohne weiteres in Betracht gezogen werden, weshalb das veranschaulichte Fahrzeug 10 als eine nicht einschränkende repräsentative Ausführungsform gedacht ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 20 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel (BZS) 22, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen 24 zusammengesetzt ist, wobei die Brennstoffzellen 24 schematisch in 1 dargestellt sind. Der Brennstoffzellenstapel 22 in einer exemplarischen Konfiguration kann eine Polymerelektrolytmembran/Protonenaustauschmembran-(PEM)-Vorrichtung sein, die Wasserstoffgas als Kraftstoffquelle verwendet. Die Anzahl und Art der Brennstoffzellen 24, der beim Aufbau des Brennstoffzellenstapels 22 verwendeten Brennstoffzellen kann je nach Verwendungszweck unterschiedlich sein, sodass PEM-Vorrichtungen nur eine mögliche Bauweise sind.
  • Unabhängig von der Art des im Brennstoffzellensystem 20 verwendeten Brennstoffzellenstapels 22 wird ein Diagnoseverfahren 100 von einer Steuerung (C) 50 online, d. h. in Echtzeit in dem exemplarischen Fahrzeug 10 oder einem anderen System, in dem der Brennstoffzellenstapel 22 eingebaut ist, ausgeführt. Anstelle der Verwendung von festen Zellenspannungs-Schwellenwerten als Indikator für die Zellenumpolung, die eine präventive Abschaltung des Brennstoffzellenstapels 22 auslöst, ermöglicht das Ausführen des Verfahrens 100 der Steuerung 50, die tatsächliche Leistung des Brennstoffzellenstapels 22 genauer zu diagnostizieren. Diese Diagnoseergebnisse werden unter Verwendung der Ergebnisse der integralen Degradationslogik 11, wie nachstehend dargelegt, erreicht. Auf diese Weise ist die Steuerung 50 in der Lage, einen fundierteren Kriteriensatz für die Gesamtsteuerung des Brennstoffzellenstapels 22 bei der Wiederherstellung von oder als Reaktion auf ein Zellenumpolungsereignis festzulegen. Mit anderen Worten kann die Steuerung 50 durch das Entfernen von Falsch-Positiven Ergebnissen, bei denen ein Schwellenwertabfall der Zellenspannung allein automatisch das Abschalten des Brennstoffzellenstapels 22 auslöst, stattdessen die integrierte Degradationslogik 11 verwenden, um das Potenzial eines gegebenen Zellenumpolungsereignisses zum Beschädigen der Brennstoffzellen 24 und/oder des Brennstoffzellenstapels 22 zu bewerten.
  • Obwohl aus Gründen der Einfachheit aus 1 weggelassen, beinhaltet jede Brennstoffzelle 24, wie in der Technik bekannt, entgegengesetzt positionierte Kathoden- und Anodenelektroden, die durch eine dünne Membran, z. B. eine Perfluorsulfonsäure-(PFSA)-Membran, getrennt sind. Diese Membranen fungieren als Separator und Festelektrolytmaterial, um Wasserstoffprotonen/Kationen selektiv durch die Brennstoffzelle 24 zu transportieren. Eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht liegt auf der Kathodenseite vor, und eine kathodenseitige Katalysatorschicht ist zwischen der Membran und der Diffusionsmediumschicht vorgesehen. Ebenso ist auf der Anodenseite eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht vorgesehen, wobei zwischen der Membran und der Diffusionsmediumschicht eine anodenseitige Katalysatorschicht vorgesehen ist. Die Katalysatorschichten und die Membran können gemeinsam eine Membranelektrodenanordnung definieren, wie in der Technik gut bekannt ist. Die porösen Diffusionsmediumschichten ermöglichen zusammen den Gastransport in die und den Wassertransport aus der Membranelektrodenanordnung.
  • In einer typischen Brennstoffzelle 24 ist ein Spannungssensor (S)V) zwischen der Kathode und Anode geschaltet und konfiguriert, um eine einzelne Zellenspannung zu messen (Pfeil VC ), eine Messung, die als Teil des Verfahrens 100 erfolgt. Die gemessenen Zellenspannungen (Pfeil VC ) für jede der verschiedenen Brennstoffzellen 24, unabhängig davon, ob sie einzeln gemessen oder gemittelt aus einer Einzelstapelspannungsmessung stammen, werden letztlich entweder drahtlos oder über einzelne Leiterbahnen oder Übertragungsleiter an die Steuerung 50 übermittelt. Ein Stromsensor (SI ) kann ebenfalls zum Messen eines Stapelstroms (Pfeil IC ) des Brennstoffzellenstapels 22 verwendet werden, sowie ein oder mehrere Temperatursensoren (ST ), die jeweils eine Stapeltemperatur an einem Ein- und Ausgang des Brennstoffzellenstapels 22 messen, wobei diese Messungen als Temperatursignale (Pfeil TS ) gemeldet und bei der laufenden Überwachung und Steuerung des Brennstoffzellenstapels 22 verwendet werden.
  • Wasserstoffgas (Pfeil H2 ) aus einer Kraftstoffquelle 26 wird über eine Zuleitung 31 einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt. Das Anodenabgas verlässt den Brennstoffzellenstapel 22 auf einer Anodenabgasleitung 35. Ein Kompressor 28 versorgt eine Kathodeneingangsleitung 21 zum Brennstoffzellenstapel 22 mit einem Zuluftstrom und damit Sauerstoff (O2 ). In einer Weise, die der Funktion der Anodenabgasleitung 35 ähnlich ist, wird Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 22 auf einer separaten Kathodenabgasleitung 33 abgegeben. Das exemplarische Brennstoffzellensystem 20 kann auch eine Pumpe 39 beinhalten, die eine Wärmeträgerflüssigkeit durch einen Wärmekreislauf 37 zirkuliert. Ein Kühler 34 und ein Heizer 32 die sich auf dem thermischen Kreislauf 37 befinden, halten eine gewünschte Temperatur des Brennstoffzellenstapels 22 aufrecht.
  • Weiterhin unter Bezugnahme auf 1 empfängt die Steuerung 50 Temperatursignale (Pfeil TS ) von den Temperatursensoren (ST ), welche die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit am Kühlmittelein- und -auslass des Brennstoffzellenstapels 22 anzeigen. Die Steuerung 50 empfängt auch die Zellenspannungen (Pfeil VC ) als ein Spannungssignal von den Spannungssensoren (SV ). Als Reaktion darauf steuert die Steuerung 50 den Gesamtbetrieb des Kühlers 34, der Pumpe 39 und des Heizers 32. Darüber hinaus ist die Steuerung 50 konfiguriert, um die Drehzahl des Kompressors 28 und den Durchfluss von Wasserstoffgas (Pfeil H2) in den Brennstoffzellenstapel 22 von der Brennstoffquelle 26 aus zu steuern. Auf diese Weise ist die Steuerung 50 in der Lage, die vom Brennstoffzellenstapel 22 abgegebene Leistung zu regeln.
  • Abgesehen von der allgemeinen Betriebssteuerung des Brennstoffzellenstapels 22 von 1 führt die Steuerung 50 das Verfahren 100 zum Überwachen des Brennstoffzellenstapels 22 in Echtzeit auf ein Zellenumpolungsereignis aus und bewertet dann den Schweregrad des Zellenumpolungsereignisses basierend auf Ergebnissen der integrierten Degradationslogik 11. Die Steuerung 50 gibt letztendlich Steuersignale (Pfeil CCo) an das Brennstoffzellensystem 20 aus, um den Brennstoffzellenstapel 22 zu regeln, einschließlich der Ausführung einer Steuerungsmaßnahme in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel 22. Um die hierin offenbarten zugeordneten Diagnose- und Steuerungsfunktionen auszuführen, ist die Steuerung 50 mit einem Prozessor (P) und einem Speicher (M) ausgestattet. Der Speicher (M) beinhaltet einen physischen nicht-flüchtigen Speicher, z. B. Nur-Lese-Speicher, ob optisch, magnetisch, Flash- oder anderweitig. Die Steuerung 50 beinhaltet auch ausreichende Mengen Direktzugriffsspeicher, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstakt und einen Zähler, eine Analog-zu-Digital und eine Digital-zu-Analog-Schaltung und Eingabe-/Ausgabeschaltungen und Vorrichtungen sowie entsprechende Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen.
  • Die 2A und 2B sind repräsentative Zeitdiagramme 60 und 62 einer minimalen Zellenspannung (VC, MIN), die eine Zellumpolung aufgrund von Anoden- bzw. Kathodenverarmung anzeigen. Das Muster des Zeitdiagramms 60 von 2A zeigt die minimale Zellenspannung (VC, MIN), z. B. gemessen durch die jeweiligen Spannungssensoren (Sv) von 1, beginnend bei einem niedrigen positiven Spannungspegel, wie etwa 0,5 V, und dann schnell fallend auf einen negativen Spannungspegel. Ein derartiges Muster deutet auf eine Anodenverarmung hin, d. h. auf eine vorübergehende oder dauerhafte Unterbrechung der Zufuhr des Wasserstoffgases (Pfeil H2 ) aus der in 1 dargestellten Kraftstoffquelle 26. Eine derartige Zellenumpolung kann im Zeitverlauf eine Beschädigung der jeweiligen Brennstoffzelle 24 mit dem Muster des Zeitdiagramms 60 vorzeigen, stellt aber gleichzeitig kein unmittelbares Kurzschlussrisiko dar.
  • Die in 2B abgebildete Kathodenverarmung kann eine anhaltende, negative minimale Zellenspannung (VC, MIN) erzeugen. Ein derartiges Spannungsmuster kann während einer Dauer der Spannungswiederherstellung im Brennstoffzellenstapel 22 von 1 beobachtet werden, zum Beispiel während eines ersten Einbruchs-/Konditionierungsprozesses oder während des laufenden Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22. Eine derartige Zellenumpolung ist in der Regel nicht schädlich. Somit erkennt und diagnostiziert die Steuerung 50 von 1 von den beiden in den Zeitdiagrammen 60 und 62 in den 2A bzw. 2B dargestellten repräsentativen Mustern in minimaler Zellenspannung (VC, MIN) den Schweregrad der jeweiligen in 2A dargestellten Zellenumpolung, d. h. Anodenverarmung und ergreift dann aufgrund der Diagnoseergebnisse eine geeignete Präventivmaßnahme zum Schutz des Brennstoffzellenstapels 22, wenn dies erforderlich ist.
  • Als theoretische Grundlage für das vorliegende Verfahren 100 wird hierin die mögliche Beschädigung einer bestimmten Brennstoffzelle 24 als lastabhängig angesehen. Somit kann eine sorgfältige Bewertung des Schweregrads der Zellenumpolung mit der Steuerung 50 bewirken, dass die Steuerung 50 das Zellenumpolungsereignis behebt, ohne notwendigerweise auf eine sofortige Abschaltung des Brennstoffzellenstapels 22 zurückzugreifen. Mit anderen Worten ist die Steuerung 50 konfiguriert, um zwischen schädlichen und nicht schädlichen Zellenumpolungen zu unterscheiden und auch eine Abbaugeschwindigkeit in einer Diagnosephase zu erfassen, bevor eine derartige Abschaltung durchgeführt wird.
  • Insbesondere führt die Steuerung 50 von 1 ihre zugeordneten Diagnosefunktionen aus, indem sie eine Differenz oder ein Spannungsdelta (ΔV) zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung (VC, AVG) und der minimalen Zellenspannung (VC, MIN) beim Erfassen eines Zellenumpolungsereignisses berücksichtigt. Die Steuerung 50 verwendet dann die integrierte Degradationslogik 11, um den Strom über einen Zeitraum zu integrieren, der mit dem Erfassen des Zellenumpolungsereignisses beginnt, und ermittelt so eine akkumulierte Ladungsdichte. Oberhalb eines Ladungsdichte-Schwellenwerts führt die Steuerung 50 eine oder mehrere Steuerungsmaßnahmen aus, um den Brennstoffzellenstapel 22 zu schützen, was dazu führen kann, dass ein Diagnosecode aufgezeichnet, der Stromdurchsatz des Brennstoffzellenstapels 22 begrenzt und/oder der Brennstoffzellenstapel 22 bei Bedarf abgeschaltet wird, abhängig von dem jeweiligen Schwellenwert, der überschritten wurde.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform des vorstehend ausgeführten Verfahrens 100 veranschaulicht. Beginnend mit Schritt S102 erkennt die Steuerung 50 einen angeforderten Start des Brennstoffzellenstapels 22, beispielsweise ein Schlüssel-Einschaltereignis oder eine Zündanforderung im Beispielfahrzeug 10 von 1. Als Reaktion auf den angeforderten Start kann die Steuerung 50 einen Akkumulator der integrierten Degradationslogik 11 zurücksetzen, d. h. einen akkumulierten Ladungsdichtewert, der von Null aufwärts gerichtet ist. Die Steuerung 50 bestimmt eine elektrische Ladungsdichte, die auf der Anodenseite einer gegebenen Brennstoffzelle 24 akkumuliert ist, wie in 1 dargestellt. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S104 über.
  • Bei Schritt S104 empfängt und verarbeitet die Steuerung 50 als nächstes die Zellenspannungen (VC ) von den in 1 schematisch dargestellten Spannungssensoren (Sv) und zwar bei einer kalibrierten Abtastrate. Die Steuerung 50 ist konfiguriert, um die vorstehend erwähnte durchschnittliche Zellenspannung (VC, AVG) in Bezug auf die 2A und 2B zu berechnen und auch die minimalen Zellenspannungen (VC, MIN) aufzuzeichnen und zu verfolgen. Als Teil von Schritt S104 vergleicht die Steuerung 50 die berechnete durchschnittliche Zellenspannung (VC, AVG) mit den minimalen Zellenspannungen (VC, MIN) und zwar in Echtzeit.
  • Auf diese Weise ermittelt die Steuerung 50, ob die Spannungsdifferenz (ΔV aus den 2A und 2B) einen kalibrierten Spannungsdifferenzschwellenwert überschreitet. Ein geeigneter exemplarischer Bereich für eine kalibrierte Schwellenwertdifferenz liegt bei etwa 1,0-1,2 V. Je nach Konfiguration und Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen 24 können jedoch auch andere Bereiche oder diskrete Werte verwendet werden. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S106 fort, wenn die Spannungsdifferenz (ΔV) eine kalibrierte Schwellenwertdifferenz überschreitet, wobei die Steuerung 50 ansonsten Schritt S104 wiederholt. Die Steuerung 50 bleibt daher bei Schritt S104, bis eine nachfolgende Zündung/Abschaltung des Brennstoffzellensystems 20 von 1 das Ausführen des Verfahrens 100 beendet, wobei das Verfahren 100 bei Schritt S102 mit dem nächsten Schlüssel/Zündereignis von neuem beginnt.
  • Schritt S106 beinhaltet das Integrieren der Stapelstromdichte (j) im Zeitverlauf über die integrierte Degradationslogik 11 von 1 als Reaktion auf eine in Schritt S104 vorgenommene Ermittlung, dass die Spannungsdifferenz (ΔV) die kalibrierte Schwellendifferenz überschreitet. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Integrieren“ auf die mathematische Integration, wobei die Fläche unter einer Kurve ermittelt wird, die im vorliegenden Ansatz der gesamten akkumulierten Ladungsdichte seit Beginn der kalibrierten Schwellenwertdifferenz entspricht. Das heißt, die Steuerung 50 ist konfiguriert, um Folgendes zu berechnen: C A N = ∫ j [ A c m 2 ] ⋅ d t
    Figure DE102019100252A1_0001
    wobei CAN die akkumulierte Ladungsdichte ist, die durch Integration der Stromdichte (j) über die Zeit (t) seit Beginn der Schwellenwertbedingung von Schritt S104 ermittelt wurde, wobei die Stromdichte (j) in Ampere oder Ampere (A) pro Quadratzentimeter (cm2) dargestellt ist. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S108 und S110 über.
  • Die Schritte S108 und S110 können das Vergleichen der akkumulierten Ladungsdichte aus Schritt S106 mit kalibrierten ersten bzw. zweiten Ladungsdichte-Schwellenwerten beinhalten, wobei der erste Ladungsdichte-Schwellenwert von Schritt S108 kleiner als der zweite Ladungsdichte-Schwellenwert ist. Das Verfahren 100 kann mit Schritt S112 von Schritt S108 fortfahren, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den ersten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, wobei die Steuerung 50 ansonsten den Schritt S106 wiederholt. Ebenso kann das Verfahren 100 von Schritt S110 zu Schritt S114 übergehen, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den höheren zweiten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, ansonsten wird Schritt S106 wiederholt.
  • Die Schritte S112 und S114 beinhalten das Ausführen einer Steuermaßnahme über die Steuerung 50 mit Bezug auf den Brennstoffzellenstapel 22 von 1. Bei Schritt S112 kann die Steuerung 50 beispielsweise den aktuellen Durchsatz des Brennstoffzellenstapels 22 begrenzen, den Durchfluss von Wasserstoffgas (Pfeil H2) aus der Brennstoffquelle 26 von 1 erhöhen oder eine andere geeignete Steuerungsmaßnahme ausführen, bevor der Brennstoffzellenstapel 22 abgeschaltet wird. Die Steuerung 50 kann einen Diagnosecode als Teil von Schritt S112 aufzeichnen, der das Diagnoseergebnis anzeigt. Schritt S112 kann für eine kalibrierte Dauer fortgesetzt werden und standardmäßig Schritt S114, wenn die Zellenumpolung durch die Maßnahmen der Steuerung 50 nicht korrigiert wird, und/oder Schritt S108 wiederholen, um zu ermitteln, ob der erste Schwellenwert überschritten bleibt.
  • Schritt S114 kann von der Steuerung 50 verwendet werden, wenn die akkumulierte Ladungsdichte in Bezug auf einen kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwert zu hoch ist. Wie bei Schritt S112 kann die Steuerung 50 einen Diagnosecode als Teil von Schritt S114 aufzeichnen, der das Diagnoseergebnis anzeigt. Da der zweite Ladungsdichte-Schwellenwert von Schritt S110 jedoch auf einen Wert eingestellt ist, der auf eine drohende Verschlechterung der Brennstoffzelle 24 hinweist, kann die Steuerungsmaßnahme von Schritt S114 das automatische Abschalten des Brennstoffzellenstapels 22 und/oder des Systems 20 von 1 beinhalten. Der zweite Ladungsdichte-Schwellenwert ist abhängig von der Bauweise der jeweiligen Brennstoffzelle 24 und des Brennstoffzellenstapels 22, die beim Aufbau des Brennstoffzellensystems 20 aus 1 verwendet werden. Die Geschwindigkeit, mit der die Akkumulation bis zum zweiten Ladungsdichte-Schwellenwert erfolgt, ist abhängig von der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 22, z. B. kann eine exemplarische Grenze von 0,9 Coulombs/cm2, die in weniger als 1 Sekunde (s) bei voller Leistung erreicht wird, 30-40 s unter Leerlaufbedingungen erfordern.
  • Als Teil des Ansatzes des Verfahrens 100 kann die Steuerung 50 auch das Alter der Brennstoffzelle 24, ihren Betriebszustand, ihre Temperatur und/oder andere Faktoren berücksichtigen, wie beispielsweise den Grad der Hydratation der Brennstoffzelle 24, und dann die Ladungsdichte-Schwellenwerte der Schritte S104, S108 und/oder S110 im Zeitverlauf basierend auf diesen Werten anpassen. So kann beispielsweise die Position einer gegebenen Brennstoffzelle 24 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 in Bezug auf die Zuleitung 31 von 1 verwendet werden, um derartige Ladungsdichte-Schwellenwerte einzustellen, wobei Brennstoffzellen 24 näher an der Zuleitung 31 eher hydratisiert werden als diejenigen, die weiter entfernt sind. Die Schwellenwerte können bei niedrigeren Temperaturen gelockert werden, da die Brennstoffzelle 24 in der Lage sein kann, eine höhere Ladungsdichte über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten, wenn sie bei einer niedrigeren Temperatur liegt. Ältere Brennstoffzellen 24 neigen dazu, ihre Funktionsfähigkeit und ihren inneren Zellwiderstand im Laufe der Zeit zu verschlechtern, weshalb für diese Brennstoffzellen 24 strengere Grenzwerte für die Ladungsdichte verwendet werden können. Ein möglicher Ansatz zum Ausgleich der vorstehend genannten Faktoren ist eine Nachschlagetabelle im Speicher (M) der Steuerung 50, auf die durch den Prozessor (P) von 1 zugegriffen werden kann, um die geeigneten Schwellenwerte für die Verwendung in den Schritten S104, S108 und/oder S110 zu ermitteln, z. B. mit den Werten, die die Nachschlagetabelle füllen, ermittelt als Funktion von Temperatur, Hydratation, Alter, Betriebszustand, usw.
  • Das vorstehend beschriebene Verfahren 100 soll die Leistung typischer Diagnoseverfahren verbessern, wobei ein Brennstoffzellenstapel proaktiv abgeschaltet wird, und zwar ausschließlich dadurch, dass die minimale Zellenspannung (VC, MIN der 2A und 2B) für eine Schwellendauer kleiner als eine kalibrierte negative Spannung ist. So kann beispielsweise eine Mindestspannung von -0,8 V, die länger als 0,6 s zu sehen ist, oder eine höhere Spannung von z. B. -0,1 V für eine viel längere Dauer, z. B. 10 s, normalerweise eine automatische Abschaltung auslösen. Daher kann die Verwendung des vorliegenden Verfahrens 100 dazu beitragen, ungerechtfertigte automatische Abschaltungen des Brennstoffzellenstapels 22 von 1 im Hinblick auf nicht schädliche Zellenumpolungen zu vermeiden und dadurch die Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems 20 zu verbessern, ohne die Haltbarkeit, Leistung oder strukturelle Integrität negativ zu beeinträchtigen.
  • Während ein paar der besten Ausführungsformen und anderen Arten ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Umsetzung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Teilkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale. Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegenden Lehren, wobei der Geltungsbereich der vorliegenden Lehren ausschließlich durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Diagnostizieren eines Zellenumpolungsereignisses einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erkennen des Zellenumpolungsereignisses über eine Steuerung; Integrieren der Stromdichte der Brennstoffzelle im Zeitverlauf als Reaktion auf das erkannte Schwellenwert-Zellenumpolungsereignis unter Verwendung der Steuerung, um dadurch eine akkumulierte Ladungsdichte zu ermitteln, Vergleichen der akkumulierten Ladungsdichte mit einem kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwert; und Ausführen einer Steuerungsmaßnahme in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, wobei die Steuerungsmaßnahme das Aufzeichnen eines Diagnosecodes im Speicher der Steuerung beinhaltet, der die Schwere des Zellenumpolungsereignisses anzeigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der kalibrierte Ladungsdichte-Schwellenwert erste und zweite Ladungsdichte-Schwellenwerte beinhaltet, wobei der zweite Ladungsdichte-Schwellenwert den ersten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, und worin das Ausführen einer Steuerungsmaßnahme das vorübergehende Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels mit einer reduzierten Leistungsfähigkeit beinhaltet, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den ersten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, und das Abschalten des Brennstoffzellenstapels, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den zweiten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das vorübergehende Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels das Begrenzen des Stromdurchsatzes des Brennstoffzellenstapels für eine kalibrierte Dauer beinhaltet.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels das Erhöhen eines Wasserstoffstroms zum Brennstoffzellenstapel für eine kalibrierte Dauer beinhaltet.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Erkennen eines Zellenumpolungsereignisses das Berechnen einer Spannungsdifferenz zwischen einer durchschnittlichen und einer minimalen Zellenspannung der Brennstoffzelle beinhaltet, und das anschließende Ermitteln, ob die berechnete Spannungsdifferenz einen Spannungsdifferenzschwellenwert überschreitet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Einstellen des kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwerts über die Steuerung basierend auf einem Alter oder einem Betriebszustand der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels.
  7. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen; und eine Steuerung mit einem Prozessor in Verbindung mit der Vielzahl von Brennstoffzellen, der mit Anweisungen zum Diagnostizieren eines Zellenumpolereignisses programmiert ist, worin das Ausführen die Steuerung veranlasst: das Zellenumpolungsereignis einer der Vielzahl von Brennstoffzellen zu erkennen; Integrieren einer Stromdichte der Brennstoffzelle mit dem erkannten Zellenumpolungsereignis im Zeitverlauf als Reaktion auf das Erkennen des Schwellenwert-Zellenumpolungsereignisses, wodurch eine akkumulierte Ladungsdichte ermittelt wird; und Ausführen einer Steuerungsmaßnahme in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, beinhaltend das Aufzeichnen eines Diagnosecodes über die Steuerung, der die Schwere des Zellenumpolungsereignisses anzeigt.
  8. System nach Anspruch 7, worin der kalibrierte Ladungsdichte-Schwellenwert erste und zweite Ladungsdichte-Schwellenwerte beinhaltet, wobei der zweite Ladungsdichte-Schwellenwert den ersten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet, und worin die Steuerung konfiguriert ist, um die Steuerungsmaßnahme auszuführen durch: vorübergehendes Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels mit einer reduzierten Leistungsfähigkeit, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den ersten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet; und Abschalten des Brennstoffzellenstapels, wenn die akkumulierte Ladungsdichte den zweiten Ladungsdichte-Schwellenwert überschreitet.
  9. System nach Anspruch 8, worin die Steuerung konfiguriert ist, um das Zellenumpolungsereignis durch Berechnen einer Spannungsdifferenz zwischen einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung jeder der Brennstoffzellen zu erkennen, und Vergleichen der berechneten Differenz über einer Schwellenspannungsdifferenz.
  10. System nach Anspruch 8, worin die Steuerung konfiguriert ist, um den kalibrierten Ladungsdichte-Schwellenwert Zeitverlauf basierend auf einem Alter oder einem Betriebszustand der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels automatisch einzustellen.
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