DE10334556B4

DE10334556B4 - Brennstoffzellensteuerungssystem

Info

Publication number: DE10334556B4
Application number: DE10334556.6A
Authority: DE
Inventors: Tomonori Imamura; Akimasa Osaki; Toshiyuki Kawai; Hideshi Izuhara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP4380231B2; US20040033399A1; US7285344B2; DE10334556A1; JP2004127915A

Abstract

Brennstoffzellensteuerungsystem zum Steuern einer Brennstoffzellenanordnung (FC 10), welche durch eine Mehrzahl von individuellen Zellen aufgebaut ist, von denen jede eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wobei das Brennstoffzellensteuerungssystem aufweist: eine Meßeinrichtung (12) für die Ausgangsspannung zum Messen von Ausgangsspannungen aller individuellen Zellen oder eines Teils hiervon; und eine Überwachungseinrichtung (40) zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung (FC 10) auf Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und ihrer Statistik, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um als Statistik der gemessenen Ausgangsspannungen einen Mittelwert und eine Standardabweichung der gemessenen Ausgangsspannungen zu bestimmen und wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß die Wasserstoffelektrode durch Wasser blockiert ist, falls sich die mittlere Spannung innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches befindet und darüber hinaus wenigstens eine der gemessenen Ausgangsspannungen nicht innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Steuern einer Brennstoffzelle nach Anspruch 1, welche eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt und welche auf einen im Haushalt verwendeten Generator, einen tragbaren Generator sowie mobile Generatoren für ein Fahrzeug oder Schiff angewandt wird.
Der Ausgang bzw. die Abgabe der Brennstoffzelle sinkt aufgrund einer mangelnden Zufuhr von Wasserstoff und/oder Sauerstoff, einer Blockade einer Brennstoff-(Wasserstoff)Leitung und/oder Luft-(Sauerstoff)Leitung, aufgrund von Wassereinstrom oder eines Absinkens einer elektrischen Leitfähigkeit eines Elektrolytfilms aufgrund dessen Austrocknens ab. Die Brennstoffzelle wird ferner schwacher und ihre Zuverlässigkeit sinkt, wenn sie unter den oben genannten schlechten Bedingungen betrieben wird.
Obwohl ihre Betriebssicherheit bzw. Betriebsbeständigkeit aufgrund der Beschränkung der Betriebsbedingungen verbessert wird, sinkt ihre Betriebswirksamkeit aufgrund überhöhter bzw. übermäßiger Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff oder Wasser ab.
Die US 5 170 124 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beobachten der Leistung von in Reihe angeordneten Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft das Verfahren und die Vorrichtung das Messen und den Vergleich von Brennstoffzellenleistungsindikatoren, beispielsweise die Spannung von in Reihe angeordneten Gruppen von Brennstoffzellen.
Die US 2002/0009623 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbessern der Kaltstarteigenschaften eines elektrischen Leistungserzeugungssystems. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der mit einer externen Schaltung zur Versorgung eines elektrischen Stroms für die externe Schaltung verbunden ist.
In der JP 2000-208161 A wird ein Parameter wie die Brennstoffgaszufuhr gesteuert, um eine Standardabweichung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches zu halten.
Die in der JP 2000-208161 A offenbarte Brennstoffzelle hat jedoch einen Nachteil dahingehend, daß die eine Ausgangsschwankung verursachenden Faktoren nicht klar festgelegt sind. Irrelevante Faktoren bzw. Betriebswerte werden dementsprechend unnötigerweise gesteuert bzw. kontrolliert, wodurch die Betriebswirksamkeit des Brennstoffzellensystems sinkt.
In der JP 2002-164065 A wird ferner eine Richtung des Kühlwasserstroms umgekehrt, wodurch eine vorgeschriebene bzw. voreingestellte Feuchtigkeitsverteilung entlang der Aufbaurichtung einzelner Zellen ausgestaltet und der Feuchtigkeitszustand der Brennstoffzelle auf der Basis der Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen erfaßt bzw. diagnostiziert wird. Hier wird angenommen, daß die relative Feuchtigkeit am Kühlwassereinlaß am höchsten ist, während sie am Ausgang am niedrigsten ist, da die Kühlwassertemperatur am Eingang am niedrigsten ist, während sie am Ausgang am höchsten ist.
Die Zellentemperatur ist jedoch im allgemeinen in einem mittleren Abschnitt der Zelle höher als am Kühlwasserausgang. Dies rührt daher, daß Wärme bzw. Hitze durch den Zellenbehälter abgestrahlt wird, während es im Zwischen- bzw. Mittelbereich nicht so leicht zu Wärmeabstrahlung kommt. Die Temperaturverteilung ist in der Brennstoffzelle ferner aufgrund verschiedener Konditionen wie Kühlwassertemperatur, Umgebungstemperatur und erzeugter elektrischer Leistung diversifiziert.
Die Brennstoffzelle, wie sie in der JP 2002-164065 A offenbart ist, hat daher einen Nachteil dahingehend, daß die Feuchtigkeit im Inneren nicht genau bestimmt ist, da die Kühlwassertemperatur am Kühlwasserausgang nicht immer am höchsten ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Faktoren bzw. Einflußgrößen, welche Veranderungen der Ausgangsspannung einer Brennstoffzellenanordnung verursache, genau abzuschätzen, ungeachtet der inneren Temperaturverteilung einer Brennstoffzelle.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensteuerungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspruche.
Der Betrieb der Brennstoffzelle wird als Ganzes auf Basis der Ausgangsspannungen jeder individuellen Zelle oder eines Teils von individuellen Zellen, welche die Brennstoffzellenanordnung bilden, genau erfaßt bzw. diagnostiziert.
Es ist eine konkrete Aufgabe bzw. Ziel, die Brennstoffzelle auf Basis einer mittleren bzw. gemittelten Ausgangsspannung Va der individuellen Zellen, ihrer Standardabweichung σ, ihrer individuellen Ausgangsspannungen, ihrer Varianz σ² der Schwingungskomponenten bzw. -anteilen der Ausgangsspannungen, der Geschwindigkeit ihres Spannungsabfalls ihrer Nichtschwingungskomponenten bzw. -anteilen genau zu erfassen bzw. diagnostizieren bzw. überwachen und geeignet zu betreiben.
Es ist ein weiteres konkretes Ziel, die Brennstoffzellenanordnung ohne Einbringen einer unsicheren und hypothetischen Temperatuverteilung innerhalb der Brennstoffzellenanordnung, sondern auf der Basis der Ausgangsspannungen der Zellen von höchster und niedrigster Temperatur genau zu diagnostizieren und geeignet zu betreiben.
Das Brennstoffzellensteuerungssystem der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Brennstoffzellenanordnung zum Erzeugen einer elektrischen Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Brennstoffzellenanordnung versorgt eine elektrische Last oder eine nicht gezeigte Sekundärbatterie mit elektrischer Leistung. Ein elektrischer Motor zum Antreiben des elektrischen Fahrzeugs entspricht beispielsweise der Last. Bei der einzelnen bzw. individuellen Zelle handelt es sich beispielsweise um eine Festphasen-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle. Die Ausgangsspannung und Temperatur einer jeden individuellen Zelle oder eines Teils von ihnen wird durch einen Zellenmonitor gemessen.
Das Ergebnis der Messung wird ferner in eine elektronische Steuereinheit (ECU) zum Steuern einer Brennstoff-(Wasserstoff)Pumpe und -ventil, einer Luft-(Sauerstoff)Pumpe und -ventil, eines Befeuchters für Elektrolyte und einer elektrischen Last wie einem Motor eingegeben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzellenanordnung geeignet bzw. vernünftig bzw. angemessen und wirksam durch eine Diagnoseeinrichtung (ECU) auf Basis der Ausgangsspannungen und Temperaturen der einzelnen Brennstoffzellen und ihrer tatsächlichen und statistischen Veränderungen gesteuert.
In der Zeichnung gilt:
1 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellensteuerungssystems der vorliegenden Erfindung für beispielsweise ein elektrisches Fahrzeug;
2 ist ein Flußdiagramm gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung des Betriebs der elektrischen Steuereinheit (ECU) zum Diagnostizieren bzw. Überwachen der Brennstoffzelle auf Basis eines mittleren Ausgangs und dergleichen;
3 ist eine Kurve, welche einen solchen FC-Zustand in S109 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt, bei welchem die mittlere Spannung Va normal ist, eine Ausgangsspannung einer individuellen Zelle jedoch außerhalb eines vorbeschriebenen Bereichs (Va–cσ) liegt;
4 ist eine Kurve, welche einen FC-Zustand in S111 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt, bei welchem die mittlere Spannung Va gegenüber einer optimalen, über die Zeit mittleren Spannung V0 gesenkt ist, wobei die Standardabweichung (σ) jedoch innerhalb eines normalen Bereichs liegt;
5 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der ECU gemäß einer Ausführungsform 2 zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung (FC) auf der Basis einer Ausgangsänderung mit der Zeit;
6 ist eine Kurve einer beispielhaften Veränderung der Ausgangsspannung einer bestimmten individuellen Zelle, wobei die gleitende Linie einer tatsächlich bzw. aktuellen Veränderung entspricht, die Schwingungskomponente eine Lücke in der Spannungsänderung zwischen aufeinanderfolgenden Messungen ist, und die Nichtschwingungskomponente durch eine glatte Kurve, welche durch die gepunktete Linie dargestellt ist, gezeigt wird;
7 zeigt ein Beispiel der FC, welche durch elf einzelne Zellen entsprechend einer Ausführungsform 3 aufgebaut ist, bei welcher das Kühlwasser beispielsweise in die Zelle Nr. 1 einströmt und aus der Zelle Nr. 11 herausströmt, und wobei für alle individuellen Zellen eine Temperaturmesseinrichtung 50 vorgesehen ist;
8 ist eine Kurve, welche eine statistisch geschätzte oder ermittelte Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Temperatur bei konstanter absoluter Feuchtigkeit an der einzelnen bzw. individuellen Zelle gemäß der Ausführungsform 3 darstellt;
9 ist eine Kurve, welche eine Beziehung zwischen den Ausgangsspannungen und Temperaturen der individuellen Zellen bei nicht ausreichender Wasserzufuhr gemäß der Ausführungsform 3 zeigt;
10 ist eine Kurve, welche eine Beziehung zwischen den Ausgangsspannungen und Temperaturen der individuellen Zellen bei überhöhter Wasserzufuhr gemäß der Ausführungsform 3 zeigt;
11 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der ECU zum Überprüfen der FC auf Basis der Ausgangsspannungen Vtmax und Vtmin der Zellen mit höchster bzw. niedrigster Temperatur gemäß der Ausführungsform 3;
12 zeigt ein Beispiel einer Anordnung der an jeder dritten individuellen Zelle vorgesehenen Temperaturmesseinrichtung gemäß einer Ausführungsform 4;
13 zeigt ein Beispiel einer Temperaturinterpolation zum Auswählen der Zellen von höchster und niedrigster Temperatur gemäß der Ausführungsform 4; und
14 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der ECU gemäß einer Ausführungsform 5 zum Überwachen der FC auf Basis nur der Zelle von höchster Temperatur unter der Berücksichtigung, daß die Wasserzufuhr dazu neigt, bei der Zelle von höchster Temperatur ungenügend zu werden, und daß jede individuelle Zelle mit ausreichend Wasser versorgt ist, wenn die Zelle von höchster Temperatur mit ausreichend Wasser versorgt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnung erläutert.
Ausführungsform 1
1 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellensteuerungssystems für beispielsweise ein elektrisches Fahrzeug.
Wie in 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensteuerungssystem der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzellenanordnung bzw. -bündel (FC) 10 zum Erzeugen elektrischer Leistung unter Nutzung einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die FC 10 versorgt eine elektrische Last 11 oder eine nicht gezeigte Sekundärbatterie mit elektrischer Leistung. Der Last 11 entspricht beispielsweise ein elektrischer Motor zum Antreiben des elektrischen Fahrzeugs.
Die einzelnen Brennstoffzellen sind beispielsweise feste bzw. Festphasen-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Sie werden aneinander geschichtet und elektrisch in Serie miteinander verbunden. In der FC 10 läuft die folgende elektrochemische Reaktion ab. (Kathode) H₂ → 2H⁺ + 2e^– (Mode) 2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^– → H₂O
Die Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen, welche mittels eines Zählmonitors bzw. -überwachers 12 (Spannungsmeßeinrichtung) gemessen wird, wird einer Steuereinheit 40 zugeführt.
Die FC 10 ist ferner mit einer Luftleitung 20 zum Versorgen der Anode (Luftelektrode) mit Luft (Sauerstoff: oxidierendes Gas) und mit einer Brennstoffleitung 30 zum Versorgen der Kathode (Brennstoffelektrode) mit Wasserstoff ausgestaltet.
Die Luftleitung 20 ist mit einer Luftpumpe 21 zum Pumpen von Luft aus der Außenatmosphäre zur FC 10 verbunden. Ein Befeuchter 22 ist zwischen der Luftpumpe 21 und der FC 10 vorgesehen. Ein Luftventil 23 zum Einstellen eines Drucks der zugeführten Luft ist ferner an der stromabwärts gelegenen Seite der FC 10 vorgesehen.
Die am weitesten stromaufwärts gelegene Seite der Brennstoffleitung 30 ist mit einem Wasserstoffzylinder 31 ausgestattet, wohingegen ein Wasserstoffventil 32 zum Einstellen eines Wasserstoffdrucks zwischen dem Wasserstoffzylinder 31 und der FC 10 vorgesehen ist.
Die Brennstoffleitung 30 ist eine stromabwärts des Wasserstoffventils 32 geschlossene Schleife, wodurch das Wasserstoff in der Brennstoffleitung 30 erneuert und zirkuliert wird. An der stromabwärts gelegenen Seite der FC 10 ist in der Brennstoffleitung 30 ferner eine Wasserstoffpumpe 33 vorgesehen.
Eine elektronische Steuereinheit (ECU) 40 (Diagnose- bzw. Erkennungseinrichtung) weist einen Mikrocomputer mit CPU, ROM und RAM und dessen periphären Schaltungen auf. Die ECU 40 empfängt die Ausgangsspannung der individuellen bzw. einzelnen Zellen vom Zellenmonitor 12 und gibt Steuersignale an die Luftpumpe 21, den Befeuchter 22, das Luftventil 23 und das Wasserstoffventil 32 ab.
Die elektrische Leistung, welche der Last 12 zugeführt ist, wird derart gesteuert, daß die Zufuhr von Luft und Wasserstoff durch Verändern der Rotation der Luftpumpe 21 bzw. der Wasserstoffpumpe 33 gleichzeitig gesteuert wird. Die Wasserstoffpumpe ist insbesondere derart eingestellt, daß sie keine Abweichung der Ausgangsspannung der FC 10 aus einem vorgeschriebenen Bereich verursacht.
2 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der ECU 40 zum Diagnostizieren bzw. Überwachen des Betriebs der FC 10.
In S101 wird ein elektrischer Strom innerhalb der FC 10 gemessenen. Die folgenden ersten und dritten Bereiche werden auf der Basis des gemessenen elektrischen Stroms festgelegt, wobei der erste Bereich ein Bereich zum Bestimmen ist, ob sich die mittlere Zellenspannung Va innerhalb eines normalen Bereichs befindet, und der dritte Bereiche ein Bereich zum Bestimmen ist, ob sich die Standardabweichung σ der Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen, welche die FC 10 bilden, innerhalb eines normalen Bereichs befindet.
In S102 werden die individuellen Ausgangsspannungen gemessen; die mittlere Ausgangsspannung Va wird in S103 auf der Basis der in S102 gemessenen individuellen Spannungen berechnet; die Standardabweichung σ wird in S104 auf der Basis der individuellen Spannungen, welche in S102 gemessen wurden, berechnet.
Wird Va als innerhalb des ersten Bereichs in S105 (JA) liegend bestimmt, so folgt S106.
In S106 wird die Zellenausgangsspannung einer jeden Zelle mit einem zweiten Bereich, welcher durch (Va – cσ) festgelegt ist, verglichen, wobei ”c” eine Konstante ist. Wird in S106 bestimmt (JA), daß keine der gemessenen Spannungen außerhalb des zweiten Bereichs liegt, dann folgt S107.
In S107 wird festgelegt, daß die FC 10 als geeignet betrieben erkannt wurde, da Va normal und die Spannungsabweichung darüber hinaus gering ist. Das Ergebnis der Diagnose wird daher in S108 gespeichert.
Wird andererseits in S106 JA als Ergebnis erzielt, so folgt S109. 3 zeigt ein Beispiel der Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen in S109. V0, durch die durchgezogenen Linie dargestellt, ist eine optimale Durchschnittsausgangsspannung bei optimal befeuchtetem Elektrolytfilm. In S109 wird die FC 10 derart betrieben, daß Va normal und nahe V0 ist, obwohl die Ausgangsspannung eines Teils der individuellen bzw. einzelnen Zellen nicht innerhalb des zweiten Bereichs von (Va – cσ) und abnormal niedrig liegt, wie in 3 beispielhaft gezeigt ist.
Ist der feste Elektrolytfilm zum Leiten der Wasserstoffionen ausreichend befeuchtet, so neigt Va nicht dazu, abzusinken. Wird die Brennstoffelektrode einer bestimmten Zelle ferner durch Wasser blockiert, so ist die Wasserstoffverteilung unterdrückt, wodurch eine drastische Ausgangssenkung dieser bestimmten Zelle verursacht wird. In S109 wird daher festgestellt, daß übermäßig viel Wasser in der Brennstoffleitung 30 zugeführt wird. Das Ergebnis dieser Diagnose wird dann in S108 gespeichert.
Die excessive bzw. überhöhte Wasserzufuhr wird durch Anheben des Wasserstoffdrucks mittels des Wasserstoffventils 32 vermieden, wodurch das Wasser in der Brennstoffleitung 30 durch den festen Elektrolytfilm zur Luftleitung 20 ausgegeben wird.
Wird in S105 ein NEIN festgestellt, so folgt S110, in welchem festgestellt bzw. -gelegt wird, ob σ innerhalb des dritten Bereichs liegt oder nicht. Wird in S110 festgestellt, daß σ innerhalb des dritten Bereichs liegt (JA), so folgt S111.
Wie in 4 gezeigt, ist Va deutlich gegenüber V0 gesenkt und liegt nicht innerhalb des ersten Bereichs, obwohl σ normal ist.
Wird trockene Luft zugeführt, so verändern sich die Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen im allgemeinen nicht so sehr. Dies rührt daher, daß das Wasser in den einzelnen Zellen kaum kondensiert bzw. verdichtet wird. Va sinkt jedoch aufgrund des Trocknens im festen Elektrolyfilm aller individuellen Zellen deutlich ab. Wird trockene Luft zugeführt, so blockiert Wasser die Brennstoffleitung 30 kaum und die Wasserstoffverteilung weicht kaum ab, wodurch die Abweichung der Wasserstoffverteilung in einem vorbeschriebenen Bereich abläuft. Es wird daher erkannt, daß der Elektrolytfilm trocken ist. Das Ergebnis der Diagnose wird in S108 gespeichert.
Das Trocknen bzw. Austrocknen der Elektrolyte wird durch Befeuchten der Luft mittels des Befeuchters 22 vermieden.
Wird in S110 ferner ein NEIN bestimmt, so folgt S112. In diesem Fall sind Va sowie σ nicht abnormal.
Reicht die Wasserstoffzufuhr nicht aus bzw. ist sie ungenügend, so geht Va im allgemeinen deutlich zurück, und σ selbst wird aufgrund der großen Abweichung in der Wasserstoffzufuhr bzw. -verteilung verstärkt bzw. erhöht. Es wird daher erkannt, daß die Wasserstoffzufuhr zu knapp ist. Das Diagnoseergebnis wird in S108 gespeichert.
Die mangelnde Wasserstoffzufuhr wird durch Erhöhen der Wasserstoffzufuhr durch Anheben der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 33 vermieden.
Gemäß der Ausführungsform 1 werden die Faktoren, welche die Abgabe- bzw. Ausgangsänderung des FC 10 verursachen, präzise auf Basis der mittleren Spannung, der Spannungsabweichung und der Ausgangsspannung abgeschätzt.
Obwohl in der oben stehenden Erklärung der dritte Bereich auf Basis des elektrischen Betriebsstroms der FC 10 festgesetzt bzw. bestimmt wurde, kann er auf Basis der mittels der individuellen Ausgangsspannungen berechneten σ festgelegt bzw. gefunden werden.
Ausführungsform 2
5 ist ein Flußdiagramm für die ECU 40, welches die FC 10 auf Basis einer Ausgabe- bzw. Ausgangsveränderung über die Zeit bzw. mit Zeitverlauf diagnostiziert.
In S201 wird als erstes ein elektrischer Strom der FC 10 gemessen, und drei Werte werden bestimmt: ein vierter Bereich, ein fünfter Bereich und eine vorgeschriebene Ausgangsspannungsabfallgeschwindigkeit der Nichtschwingungskomponente bzw. nicht vibrierenden Komponente einer jeden einzelnen Zelle, wobei es sich beim vierten Bereich um einen Bereich zum Bestimmen handelt, ob eine Varianz σ² der Schwingungskomponente, wie später erläutert, innerhalb eines normalen Bereichs ist, wobei der fünfte Bereich ein Bereich zum Bestimmen ist, ob eine Nichtschwingungskomponente, wie später erläutert, innerhalb eines normalen Bereichs liegt, und wobei die vorgeschriebene Ausgangsspannungsabfallgeschwindigkeit eine Spannung zum Bestimmen, ob ein Spannungsabfall innerhalb eines normalen Bereichs liegt, ist.
In S202 werden Ausgangsspannungen der einzelnen bzw. individuellen Zellen gemessen. In S203 wird dann eine Hysterese oder eine Veränderung über die Zeit bzw. zeitlichen Veränderung der in S202 gemessenen und in einen Speicher in der ECU 40 gespeicherte Spannung ausgelesen.
In S204 wird die Ausgangsspannungshysterese für jede individuelle Zelle in die Schwingungskomponente und die Nichtschwingungskomponente aufgeteilt. Bei 6 handelt es sich um eine Kurve einer beispielhaften Ausgangsspannungshysterese einer bestimmten individuellen Zelle, wobei die durchgezogene Linie eine tatsächliche Hysterese darstellt, die Schwingungskomponente eine Spannungslücke zwischen den aufeinanderfolgenden Messungen ist, und die Nichtschwingungskomponente durch eine geglättete Kurve, welche durch die gepunktete Linie dargestellt ist, gezeigt wird.
In S205 wird eine Varianz σ² der Schwingungskomponenten berechnet. Falls die Nichtschwingungskomponente sich innerhalb des fünften Bereichs bei S206 (JA) befindet, folgt dann S207.
In S207 wird erkannt, daß FC 10 geeignet betrieben wird, da die Nichtschwingungskomponente als sich innerhalb eine normalen Bereichs befindend bestimmt wurde. Das Ergebnis der Diagnose wird in S208 gespeichert.
Befindet sich die Nichtschwingungskomponente im Gegensatz hierzu nicht innerhalb des fünften Bereichs in S206 (NEIN), so folgt S209, wobei bestimmt wird, ob die Nichtschwingungskomponente ansteigt. Steigt die Nichtschwingungskomponente in S209 (JA) an, so folgt S210. In S210 wird festgestellt, daß die FC geeignet betrieben wird. Das Diagnoseergebnis wird in S208 gespeichert.
Falls die Spannungsabfallgeschwindigkeit andererseits nicht größer als der vorgeschriebene Wert in S211 (NEIN) ist, so folgt S213, wobei bestimmt wird, ob sich die Varianz σ² der Schwingungskomponenten bzw. -anteile innerhalb des vierten Bereichs befindet. Falls sich σ² innerhalb des vierten Bereichs in S213 (JA) befindet, so folgt S214.
Fällt die Nichtschwingungskomponente langsam ab, und ist σ² darüberhinaus klein, so bedeutet dies im allgemeinen, daß das Wasser in der FC 10 erhöht ist bzw. wird. Dies rührt daher, daß eine wirksame Reaktionsfläche verringert ist, wenn das Wasser zunimmt, wodurch die Ausgangsspannung von jeder einzelnen Zelle allmählich abnimmt. In S214 wird daher erkannt, daß die Wasserzufuhr excessiv wird bzw. übermäßig Wasser zugeführt wird. Das Diagnoseergebnis wird in S208 gespeichert.
Ist σ² andererseits nicht innerhalb des vierten Bereiches in S213 (NEIN), so folgt S215.
Fällt die Nichtschwingungskomponente langsam ab und ist σ² darüberhinaus groß, so bedeutet dies im allgemeinen, daß der feste Elektrolytfilm ausgetrocknet bzw. getrocknet wird. Die ist der Fall, da die Ausgangsspannung allmählich abfällt, wenn der feste Elektrolytfilm getrocknet bzw. ausgetrocknet wird, und die Änderung des Ausgangs wird aufgrund einer Wasserabsorption und Dehydration des Elektrolytfilms groß. Es wird daher erkannt, daß der Elektrolytfilm trocken wird. Das Diagnoseergebnis wird in S208 gespeichert.
Gemäß der Ausführungsform 2 werden die Größen bzw. Faktoren der Ausgangsänderung der FC 10 auf der Basis der zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung genau abgeschätzt.
Ausführungsform 3
Die FC 10 wird auf Basis der Ausgangsspannungen der Zellen von höchster und niedrigster Temperatur geprüft bzw. diagnostiziert. Das Brennstoffzellensteuerungssystem ist dasselbe wie in Ausführungsform 1 mit der Ausnahme, daß die Temperaturen ebenso wie die Ausgangsspannungen der einzelnen Zellen durch den Zellenmonitor 10 in die ECU eingegeben werden.
Wie in 7 gezeigt ist, werden beispielsweise elf einzelne bzw. individuelle Zellen 1 bis 11 in der Brennstoffzelle (FC) 10 aufgebaut, wobei das Kühlwasser in die individuelle Zelle 1 strömt und aus der individuellen Zelle 11 herausströmt und eine Temperaturmessungseinrichtung (Temperatursensoren) 50 für alle individuellen Zellen vorgesehen ist.
Das Sauerstoffgas wird der FC 10 durch den Befeuchter 22 zugeführt. Die absolute Feuchtigkeit des Sauerstoffgases ist dementsprechend am Eingang einer jeden individuellen Zelle dieselbe. Dennoch wird die Wasserversorgung excessiv aufgrund einer niedrigen Temperatur in der FC 10, während sie aufgrund einer hohen Temperatur in der FC 10 ungenügend wird. Der Betrieb der FC 10 ändert sich somit aufgrund seiner Temperatur. Umgekehrt ausgedrückt kann auf Basis der statistisch geschätzten oder mittleren Beziehungen zwischen der individuellen Ausgangsspannungen und Temperaturen erkannt bzw. diagnostiziert werden, ob die Wasserzufuhr excessiv oder ausreichend ist.
8 ist eine Kurve, welche eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Temperatur zeigt, wenn die absolute Feuchtigkeit am Eingang der individuellen Zelle konstant ist. Wie in 8 gezeigt ist, sinkt die Ausgangsspannung ab, wenn die Temperatur sinkt, wenn das Wasser im Gas übermäßig bzw. überschüssig wird, und wenn die Temperatur steigt und das Wasser unzulänglich bzw. zu wenig wird. Die Wasserzufuhr wird mit anderen Worten überhöht bzw. übermäßig aufgrund der gesenkten Ausgangsspannung und gesenkten Temperatur, während die Wasserzufuhr aufgrund der abgesunkenen Ausgangsspannung und erhöhten Temperatur unzulänglich wird.
9 ist ferner eine Kurve der Ausgangsspannungen oder Temperaturen der individuellen Zellen bei ungenügender Wasserzufuhr. Die individuellen Zellen, welche heiß und trocken werden, verlieren an Ausgangsspannung.
10 ist ein Graph bzw. eine Kurve der Ausgangsspannungen und Temperaturen der einzelnen Zellen bei übermäßiger Wasserzufuhr. Eine große Wassermenge wird beim Eintritt des Kühlwassers von niedriger Temperatur kondensiert, wodurch die Ausgangsspannungen nahe dem Einlaß sinken.
11 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der ECU 40 zum Überprüfen bzw. Diagnostizieren des Betriebs der FC 10.
In S301 wird als erstes ein elektrischer Strom in der FC 10 gemessen. Die Temperaturen der individuellen Zellen werden dann in S302 gemessen; die Zelle mit der höchsten Temperatur wird in S303 ausgewählt und die Zelle mit der niedrigsten Temperatur wird in S304 ausgewählt.
Ferner wird in S305 die Spannung (Ausgangsspannung Vtmax der Zelle mit der höchsten Temperatur) der Zelle der höchsten Temperatur gemessen, und die Spannung der Zelle mit der niedrigsten Temperatur (Ausgangsspannung Vtmin der Zelle mit der niedrigsten Temperatur) wird in S306 gemessen.
Wird in S310 festgestellt, daß Vtmax nicht größer als Vtmin ist (NEIN), so wird eine Ausgangsspannung der Zelle mit der höchsten Temperatur bei ihrer optimalen Wasserzufuhr in S311 auf Basis einer charakteristischen Karte von statistisch geschätzten und mittleren Temperatur-Strom-Spannungs-Beziehungen, welche in der ECU 40 gespeichert sind, als Vesh geschätzt.
Falls (Vtmax – Vesh) als kleiner als eine vorbeschriebene Spannung Vpsh (selbst negativer Wert) in S320 (JA) festgestellt wird, so wird Vtmax gesenkt. Es wird daher in S321 festgestellt, daß das Elektrolyt aufgrund einer unzureichenden Wasserversorgung getrocknet wird bzw. wurde. Dies ist der Fall, da die heißen Zellen trocken werden und ihre Ausgangsspannungen wie in 9 gezeigt extrem absinken. Wird (Vtmax – Vesh) andererseits als nicht kleiner als eine vorgeschriebene Spannung Vpsh in S320 (NEIN) beschrieben, so wird Vtmax nicht gesenkt. In S322 wird daher festgestellt, daß die Wasserversorgung vernünftig ist.
Mit Blick erneut auf S310 wird eine Ausgangsspannung der Zelle mit der niedrigsten Temperatur bei ihrer optimalen Wasserzufuhr basierend auf einer charakteristischen Wertetabelle bzw. Karte statistisch geschätzter oder mittlerer Temperatur-Strom-Spannungs-Beziehungen, welche in der ECU 40 gespeichert ist, als Vesl in 312 geschatzt, falls Vtmax größer als Vtmin in S310 (JA) ist.
Falls (Vtmin – Vesl) als kleiner als eine vorgeschriebene bzw. vorbeschriebene Spannung Vpsl (selbst negativer Wert) in S330 (JA) bestimmt bzw. festgesetzt wird, so wird Vtmin gesenkt. Es wird daher in S331 erkannt, daß eine große Wassermenge bei Zellen niedriger Temperatur kondensiert und ihre Ausgangsspannungen gesenkt werden bzw. gesenkt sind. Falls (Vtmax – Vest) andererseits als nicht kleiner als eine vorbeschriebene Spannung Vpsl in der S330 (NEIN) festgestellt bzw. bestimmt wird, so wird Vtmax nicht gesenkt. Es wird daher in S332 festgestellt, daß die Wasserzufuhr vernünftig stattfindet.
Wird die Wasserzufuhr als ungenügend erkannt, so wird die Wasserzufuhr durch ein Fördern bzw. Begünstigen der Wasserzufuhr zum Elektrolytfilm durch Anheben der Befeuchtungsleistung des Befeuchters 22 oder durch Anheben bzw. Erhöhen des Luftdrucks oder durch Senken des Wasserstoffdrucks erhöht. Ist die Wasserzufuhr überhöht, so wird der Befeuchter 22 abgeschaltet, der Luftdruck gesenkt oder der Wasserstoffdruck erhöht.
Gemäß der Ausführungsform 3 werden die Einflußgrößen bzw. Faktoren der Änderung des Ausgangs der FC 10 basierend auf den Ausgangsspannungen der Zellen mit höchster bzw. niedrigster Temperatur genau abgeschätzt.
Ausführungsform 4
12 zeigt die Ausführungsform 4. Das Brennstoffzellensteuerungssystem entspricht jenem der Ausführungsform 3, mit Ausnahme des beispielsweise an jeder dritten individuellen Zelle vorgesehenen Temperatursensoren 50.
Die Temperatur der einzelnen Zellen, welche über keinen Temperatursensor 50 verfugen, werden interpoliert, wobei die Zelle mit der niedrigsten Temperatur (Zelle 1) und die Zelle mit der höchsten Temperatur (Zelle 8) ausgewählt werden, wie exemplarisch in 13 gezeigt ist.
Die Zellen mit der höchsten und der niedrigsten Temperatur können unter jenen mit Temperatursensoren 50 ausgestatteten Zellen ausgewählt werden.
Ausführungsform 5
Die FC 10 wird auf Basis nur der Zelle von höchster Temperatur gesteuert, unter Beachtung, daß die Wasserzufuhr geneigt ist, für die Zelle von höchster Temperatur nicht auszureichen. Jede einzelne Zelle wird daher mit ausreichend Wasser versorgt, wenn die Zelle mit der höchsten Temperatur mit ausreichend Wasser versorgt wird. Das Brennstoffzellensteuerungssystem ist dasselbe wie in Ausführungsform 3.
14 ist ein Flußdiagramm des Betriebs der ECU 40 zum Überwachen des Betriebs der FC 10.
Nach dem Ausführen von S301 bis S306 (dieselben Schritte wie in 11 gezeigt) wird Vtmax mit Vtmin in S310 verglichen (vergleichbar mit 11).
Wird Vtmax als größer als Vtmin in S310 (JA) bestimmt, so wird die Wasservorsorgung als vernünftig oder überhöht eingeschätzt. Die Wasserversorgung wird daher in S390 gesenkt, da die einzelnen Zellen nicht sofort austrocknen, selbst wenn die Wasserzufuhr gesenkt wird.
Ist Vtmax anderseits nicht größer als Vtmin in S310 (NEIN), so wird die Ausgangsspannung der Zelle mit der höchsten Temperatur an ihre optimalen Wasserzufuhr in S311 auf Basis einer charakteristischen Karte von Temperatur, Strom und Spannung, welche in der ECU 40 gespeichert ist, als Vesh geschätzt. Als nächstes wird (Vtmax – Vesh) mit einer vorgeschriebenen Spannung Vpsh (selbst negativer Wert) in S320 verglichen.
Ist (Vtmax – Vesh) kleiner als Vpsh in S320 (JA), so wird festgestellt, daß die Zelle von höchster Temperatur trocken ist, und daß ihre Ausgangsspannung bemerkbar gesenkt ist. Die Wasserzufuhr für die FC 10 wird daher in S391 erhöht. Ist (Vtmax – Vesh) anderseits nicht kleiner als Vpsh in S320 (NEIN), so wird die Ausgangsspannung der Zelle mit der höchsten Temperatur nicht gesenkt. Es wird daher festgestellt, daß die Wasserzufuhr der Zelle mit der höchsten Temperatur vernünftig oder übermäßig ist. Die Wasserzufuhr für die FC 10 wird somit in S392 gesenkt.
Die Wasserzufuhr wird in S391 durch Erhöhen bzw. Unterstützen der Wasserzufuhr zum Elektrolytfilm durch Erhöhen der Befeuchtungsleistung des Befeuchters 22 oder durch Erhöhen des Luftdrucks oder durch Senken des Wasserstoffsdrucks erhöht. Die Wasserzufuhr wird andererseits in S390 und S392 durch Anhalten des Befeuchters 22, durch Senken des Luftdrucks oder Erhöhen des Wasserstoffdruck gesenkt.
Abgeänderte Ausführungsformen
Die Ausgangsspannung einer jeden Zelle wurde in den Ausführungsformen 1 bis 5 durch den Zellenmonitor 12 bestimmt. Jedoch kann die Ausgangsspannung jeder Zellengruppe aus einer Mehrzahl von Zellen bestimmt werden.
Ferner wurde der Wasserstoff in der Brennstoffleitung 30 in den Ausführungsformen 1 bis 5 zirkuliert bzw. rückgeführt. Die Brennstoffleitung kann jedoch vollständig geöffnet oder geschlossen sein.

Claims

Brennstoffzellensteuerungsystem zum Steuern einer Brennstoffzellenanordnung (FC 10), welche durch eine Mehrzahl von individuellen Zellen aufgebaut ist, von denen jede eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wobei das Brennstoffzellensteuerungssystem aufweist: eine Meßeinrichtung (12) für die Ausgangsspannung zum Messen von Ausgangsspannungen aller individuellen Zellen oder eines Teils hiervon; und eine Überwachungseinrichtung (40) zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung (FC 10) auf Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und ihrer Statistik, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um als Statistik der gemessenen Ausgangsspannungen einen Mittelwert und eine Standardabweichung der gemessenen Ausgangsspannungen zu bestimmen und wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß die Wasserstoffelektrode durch Wasser blockiert ist, falls sich die mittlere Spannung innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches befindet und darüber hinaus wenigstens eine der gemessenen Ausgangsspannungen nicht innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt.
Brennstoffzellensteuerungsystem zum Steuern einer Brennstoffzellenanordnung (FC 10), welche durch eine Mehrzahl von individuellen Zellen aufgebaut ist, von denen jede eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wobei das Brennstoffzellensteuerungssystem aufweist: eine Meßeinrichtung (12) für die Ausgangsspannung zum Messen von Ausgangsspannungen aller individuellen Zellen oder eines Teils hiervon; und eine Überwachungseinrichtung (40) zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung (FC 10) auf Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und ihrer Statistik, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um als Statistik der gemessenen Ausgangsspannungen einen Mittelwert und eine Standardabweichung der gemessenen Ausgangsspannungen zu bestimmen und wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß der Elektrolytfilm ausgetrocknet ist, falls die mittlere Spannung nicht innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt, und falls darüber hinaus die Standardabweichung in einem vorgeschriebenen Bereich liegt.
Brennstoffzellensteuerungsystem zum Steuern einer Brennstoffzellenanordnung (FC 10), welche durch eine Mehrzahl von individuellen Zellen aufgebaut ist, von denen jede eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wobei das Brennstoffzellensteuerungssystem aufweist: eine Meßeinrichtung (12) für die Ausgangsspannung zum Messen von Ausgangsspannungen aller individuellen Zellen oder eines Teils hiervon; und eine Überwachungseinrichtung (40) zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung (FC 10) auf Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und ihrer Statistik, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um als Statistik der gemessenen Ausgangsspannungen einen Mittelwert und eine Standardabweichung der gemessenen Ausgangsspannungen zu bestimmen und wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß die Wasserstoffzufuhr ungenügend ist, falls die mittlere Spannung nicht innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt, und falls darüber hinaus die Standardabweichung nicht innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches liegt.
Brennstoffzellensteuerungsystem zum Steuern einer Brennstoffzellenanordnung (FC 10), welche durch eine Mehrzahl von individuellen Zellen aufgebaut ist, von denen jede eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wobei das Brennstoffzellensteuerungssystem aufweist: eine Meßeinrichtung (12) für die Ausgangsspannung zum Messen von Ausgangsspannungen aller individuellen Zellen oder eines Teils hiervon; und eine Überwachungseinrichtung (40) zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung (FC 10) auf Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und ihrer Statistik und wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um die gemessenen Ausgangsspannungen über die Zeit zu betrachten.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei jede betrachtete, gemessene Ausgangsspannung in eine Schwingungskomponente und Nichtschwingungskomponente aufgeteilt wird.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß eine überhöhte Wasserzufuhr stattfindet, falls die Nichtschwingungskomponente absinkt und die Schwingungskomponente darüberhinaus in einem vorbeschriebenen Bereich liegt.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß der Elektrolytfilm austrocknet, wenn die Nichtschwingungskomponente absinkt und die Schwingungskomponente darüberhinaus nicht in einem vorbestimmten Bereich liegt.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 4, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß die Wasserstoffzufuhr ungenügend wird, falls die Nichtschwingungskomponente absinkt und darüber hinaus ein Geschwindigkeitsabfall der Nichtschwingungskomponente größer als eine vorbeschriebene Geschwindigkeit ist.
Brennstoffzellensteuerungsystem zum Steuern einer Brennstoffzellenanordnung (FC 10), welche durch eine Mehrzahl von individuellen Zellen aufgebaut ist, von denen jede eine elektrische Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt, wobei das Brennstoffzellensteuerungssystem aufweist: eine Meßeinrichtung (12) für die Ausgangsspannung zum Messen von Ausgangsspannungen aller individuellen Zellen oder eines Teils hiervon; und eine Überwachungseinrichtung (40) zum Überwachen der Brennstoffzellenanordnung auf Basis der gemessenen Ausgangsspannungen und ihrer Statistik und welches ferner eine Temperaturmessungseinrichtung (50) zum Messen von Temperaturen aller individuellen Zellen oder Teile hiervon aufweist, wobei die Überwachungseinrichtung ausgebildet ist um die Brennstoffzellenanordnung auf Basis von Ausgangsspannungen Vtmax, Vtmin der individuellen Zelle mit der höchsten Temperatur bzw. der individuellen Zelle mit der niedrigsten Temperatur zu bewerten.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß übermäßig viel Wasser zugeführt wird, falls die Ausgangsspannung Vtmin der individuellen Zelle mit der niedrigsten Temperatur niedriger ist als die Ausgangsspannung Vtmax der individuellen Zelle mit der höchsten Temperatur, und falls darüber hinaus die Ausgangsspannung Vtmin der individuellen Zelle mit der niedrigsten Temperatur kleiner ist als eine statistisch geschätzte Ausgangsspannung Vesl, welche bei vernünftiger Wasserzufuhr festgelegt wird.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei die Überwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist um zu erkennen, daß die Wasserzufuhr ungenügend ist, falls die Ausgangsspannung Vtmax der individuellen Zelle mit der höchsten Temperatur niedriger als die Ausgangsspannung Vtmin der individuellen Zelle mit der niedrigsten Temperatur ist, und falls darüber hinaus die Ausgangsspannung Vtmax der individuellen Zelle mit der höchsten Temperatur kleiner ist als eine statistisch geschätzte Ausgangsspannung Vesh, welche bei vernünftiger Wasserzufuhr festgelegt wird.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei die individuellen Zellen mit der höchsten und mit der niedrigsten Temperatur unter jenen ausgewählt werden, welche mit der Temperaturmessungseinrichtung (50) ausgestattet sind.
Brennstoffzellensteuerungssystem nach Anspruch 9, wobei die individuellen Zellen mit der höchsten und der niedrigsten Temperatur mittels Interpolation auf Basis der Temperaturmessungen des Teils der individuellen Zellen ausgewählt werden.