DE102005046424A1 - Verbesserte Abschaltstrategie zur Verbesserung der Sicherheit und des Wirkungsgrades von Brennstoffzellenfahrzeugen - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenreaktandenquelle und ein Sperrventil, das eine Strömung von Anodenreaktand von der Anodenreaktandenquelle durch eine Leitung an den Brennstoffzellenstapel wahlweise verhindert. Ein Steuermodul leitet ein Schließen des Sperrventils ein, um eine Strömung von Anodenreaktand durch die Leitung zu verhindern, und bestimmt einen Abschaltplan auf Grundlage einer Restmasse des Anodenreaktanden in der Leitung. Das Steuermodul betreibt das Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Restmasse und auf Grundlage des Abschaltplans.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere eine verbesserte Strategie zum Abschalten bzw. Herunterfahren von Brennstoffzellensystemen.
  • Brennstoffzellensysteme werden zunehmend als eine Energie- bzw. Antriebsquelle bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen verwendet. Brennstoffzellenantriebssysteme sind auch zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Die Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden und/oder einen Elektromotor anzutreiben. Eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle umfasst eine Membran, die schichtartig zwischen einer Anode und Kathode angeordnet ist und als eine MEA oder Membranelektrodenanordnung bezeichnet wird. Die MEA's sind schichtartig zwischen leitenden Separatorplatten angeordnet. Um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen, wird ein Brennstoff, üblicherweise Wasserstoff (H2) jedoch auch entweder Methan (CH4) oder Methanol (CH3OH), an die Anode geliefert, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff (O2) wird an die Kathode geliefert. Die Quelle des Sauerstoffs ist üblicherweise Luft.
  • Verschiedene Komponenten definieren eine Versorgungsleitung, durch die der Anodenreaktand an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Aufgrund der hohen Drücke, die diese Komponenten in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen aushalten müssen, müssen diese robust sein.
  • Ferner müssen die Komponenten, während sie für längere Zeitperioden (beispielsweise Fahrzeugruhezustand nach Abschaltung) unter Druck stehen, eine Diffusion des Anodenreaktanden an die Atmosphäre verhindern. Herkömmlich werden spezielle Materialien verwendet, um eine Diffusion von Anodenreaktand zu verhindern. Die Komponentenkosten wie auch Komponentengröße sind aufgrund der Robustheit wie auch der Materialkosten allgemein höher als erwünscht.
  • Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenreaktandenquelle und ein Sperrventil umfasst, das wahlweise eine Strömung von Anodenreaktand von der Anodenrektandenquelle durch eine Leitung an den Brennstoffzellenstapel verhindert. Ein Steuermodul leitet ein Schließen des Sperrventils ein, um eine Strömung von Anodenreaktand durch die Leitung zu verhindern, und bestimmt einen Abschaltplan bzw. einen Plan zum Herunterfahren auf Grundlage einer Restmasse des Anodenreaktanden in der Leitung. Das Steuermodul betreibt das Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Restmasse und auf Grundlage des Abschaltplans.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Drucksensor, der einen Druck in der Leitung überwacht. Das Steuermodul fährt das Brennstoffzellensystem herunter, wenn der Druck in der Leitung einen Solldruck erreicht.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Restmasse auf Grundlage von Abmessungen der Leitung und einem Versorgungsdruck für die Leitung bestimmt.
  • Bei einer anderen Ausführungsform überwacht das Steuermodul die Verwendung der Restmasse auf Grundlage des Abschaltplans und fährt das Brennstoffzellensystem herunter, wenn sich die Restmasse unterhalb einer Schwellenmasse befindet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform gibt der Abschaltplan eine Leistungsverteilung an Komponenten an, die von dem Brennstoffzellensystem während einer Abschaltperiode betrieben werden.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem beispielhaften Brennstoffzellensystem ist; und
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das Schritte zeigt, die von einem Steuersystem während eines Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems ausgeführt werden.
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein beispielhaftes Fahrzeug 10 ein Brennstoffzellensystem 11. Das Brennstoffzellensystem 11 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, eine Anodenreaktandenquelle 14 und einen Kompressor 16. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, liefert die Anodenreaktandenquelle 14 einen Anodenreaktanden an den Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Regler 18 und ein Sperrventil 19 (S/O-Ventil). Der Kompressor 16 liefert unter Druck stehende sauerstoffreiche Luft (d.h. Kathodenreaktand) durch einen Regler 20 an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12. Reaktionen zwischen den Anoden- und Kathodenreaktanden (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff) innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 erzeugen elektrische Energie, die dazu verwendet wird, elektrische Lasten (nicht gezeigt) zu betreiben. Die Lasten umfassen beispielsweise eine elektrische Maschine, den Kompressor 16, Lampen, ein Radio, elektrische Heizeinrichtungen und dergleichen. Die elektrische Energie kann auch dazu verwendet werden, eine Energiespeichervorrichtung (nicht gezeigt) zu laden, wie beispielsweise eine Batterie oder einen Superkondensator.
  • Ein Steuermodul 22 regelt einen Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 10. Eine Messelektronik 24 überwacht Eigenschaften (beispielsweise Spannung, Strom) der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 und liefert entsprechende Signale an das Steuermodul 22. Das Steuermodul 22 regelt einen Betrieb des Brennstoffzellensystems auf Grundlage eines Lasteingangs und der von der Messelektronik 24 des Brennstoffzellensystems 10 erzeugten Signale. Der Lasteingang gibt die elektrische Soll-Energieabgabe von dem Brennstoffzellenstapel 12 an. Beispielsweise kann in dem Fall eines Fahrzeugs die Lasteingabe die Stellung eines Gaspedals umfassen. Das Steuermodul 22 regelt den Betrieb des Reglers 18 und des Sperrventils 19, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
  • Eine Leitung 30 ermöglicht, dass der Anodenreaktand von der Anodenreaktandenquelle an den Brennstoffzellenstapel 12 strömen kann. Her kömmlich ist die Anodenreaktandenquelle 14 in einem rückwärtigen Abschnitt des Fahrzeugs 10 angeordnet, und der Brennstoffzellenstapel 12 ist in einem vorderen Abschnitt des Fahrzeugs 10 angeordnet. Aufgrund dessen kann die Leitung 30 abhängig von der Größe des Fahrzeugs eine Länge von mehreren Metern (beispielsweise 3 Meter) besitzen. Das Sperrventil 19 ist an einem Ende der Leitung 30 angeordnet, und der Regler 18 ist an einem entgegengesetzten Ende der Leitung 30 angeordnet. Das Sperrventil 19 steuert eine Anodenreaktandenströmung in die Leitung 30, und der Regler 18 reguliert eine Reaktandenströmung aus der Leitung heraus. Ein Drucksensor 32 kann optional enthalten sein, um den Anodenreaktandendruck in der Leitung 30 zu überwachen. Der Drucksensor 32 erzeugt ein Drucksignal, das dem Druck in der Leitung 30 entspricht und das von Steuermodul 22 empfangen wird.
  • Das Steuermodul 22 regelt das Sperrventil 19 und den Regler 18 gemäß der verbesserten Strategie zum Abschalten bzw. Herunterfahren von Brennstoffzellen der vorliegenden Erfindung. Genauer leitet das Steuermodul 22 eine Abschaltfolge auf Grundlage einer Eingabe ein. Die Eingabe kann ein durch einen Fahrer eingeleitetes Abschaltereignis umfassen oder kann automatisch eingeleitet werden, wenn ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden soll. Bei Einleitung der Abschaltfolge schließt das Steuermodul 22 das Sperrventil 19, um zu verhindern, dass zusätzlicher Anodenreaktand von der Anodenreaktandenquelle 14 in die Leitung 30 eintreten kann. Sobald das Sperrventil 19 geschlossen worden ist, bleibt restlicher Anodenreaktand in der Leitung 30. Die Menge des restlichen Anodenreaktanden ist abhängig von den Innenabmessungen der Leitung 30 (beispielsweise Länge, Innendurchmesser) und dem Druck.
  • Das Steuermodul 22 betreibt den Regler 18 auf Grundlage eines gewählten Abschaltplans, um die Menge an restlichem Anodenreaktand in der Leitung 30 zu verringern. Der Abschaltplan gibt allgemein eine Verteilung elektrischer Energie an, die von der Brennstoffzelle 12 unter Verwendung des restlichen Anodenreaktand beim Herunterfahren erzeugt wird. Beispielsweise kann der Abschaltplan die elektrische Energie verteilen, um ein Gebläse zu betreiben, Batterien zu laden, eine Hilfselektronik anzutreiben oder auch eine andere elektrische Last zu betreiben, die beim Herunterfahren betrieben werden soll. Der Abschaltplan kann bei der elektrischen Energieverteilung Prioritäten zuordnen. In einem beispielhaften Fall kann die Batteriespannung bei einem Herunterfahren niedriger als ein gewünschtes Niveau sein. Daher kann ein Abschaltplan gewählt werden, der elektrische Energie liefert, um die Batterien zu laden, bevor elektrische Energie zum Betrieb anderer Lasten geliefert wird. Bei einem anderen beispielhaften Fall kann eine Komponententemperatur bei einem Herunterfahren höher als gewünscht sein. Daher kann ein Abschaltplan gewählt werden, der elektrische Energie zum Betrieb eines Kühlgebläses liefert, bevor elektrische Energie zum Betrieb anderer Lasten geliefert wird.
  • Durch Fortsetzen des Betriebs des Brennstoffzellensystems 11 auf Grundlage des Abschaltplans wird der Leitungsdruck (PCOND) auf eine Sollschwelle (PDES) verringert, während restlicher Anodenreaktand verwendet wird. PDES ist bevorzugt in etwa gleich einem Umgebungsdruck (PAMB). Da während Perioden ohne Verwendung PCOND in etwa gleich PAMB ist, werden die Komponentenkosten verringert und die Sicherheit verbessert. Beispielsweise brauchen die Leitung 30 und andere Komponenten in Verbindung mit der Lieferung des Anodenreaktanden nicht so ausgebildet werden, dass sie dauerhaft hohe Drücke während längerer Perioden eines abgestellten Zustands des Fahrzeugs aushalten müssen. Auf diese Art und Weise werden sowohl die Kosten als auch das Komponentengewicht ver ringert. Die Gesamtsicherheit ist verbessert, da die Leitung 30 bei der Durchführung einer Fahrzeugwartung weniger problematisch ist. Beispielweise hat ein Schaden an der Leitung 30 weder ein größeres Reißen oder Bersten zur Folge noch hat dies zur Folge, dass eine größere Menge an Anodenreaktand an die Umgebung freigegeben wird.
  • Wie oben beschrieben ist, kann das Steuermodul 22 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 11 auf Grundlage von PCOND fortsetzen, der direkt von dem Drucksensor 32 überwacht wird. Alternativ dazu wird vorgeschlagen, dass das Steuermodul 22 den Betrieb des Brennstoffzellensystems 11 auf Grundlage des Abschaltplans und einer geschätzten Masse des restlichen Anodenreaktanden (mRES) innerhalb der Rohrleitung fortsetzen kann. Genauer kann das Steuermodul 22 mRES auf Grundlage der Innenabmessungen (beispielsweise Länge und Durchmesser) und dem Lieferdruck (PSUP) von der Anodenreaktandenquelle abschätzen. Das Steuermodul 22 bestimmt auf Grundlage der Verwendungsrate, die durch den Abschaltplan vorgesehen wird, wann mRES auf eine Schwellenmasse (mDES) verringert ist. Beispielsweise kann ein Abschaltplan den restlichen Anodenreaktanden mit einer schnelleren Rate als ein anderer Abschaltplan verwenden. mDES ist in etwa gleich einer Masse, die bewirkt, dass PCOND bei oder ausreichend nahe bei PDES liegt. Auf diese Art und Weise ist der Drucksensor 32 nicht erforderlich, und es werden weitere Kosteneinsparungen erreicht.
  • In 2 ist eine beispielhafte verbesserte Strategie zum Herunterfahren bzw. Abschalten von Brennstoffzellen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Bei Schritt 100 bestimmt die Steuerung, ob ein Herunterfahren eingeleitet werden soll. Wenn die Steuerung bestimmt, dass kein Herunterfahren eingeleitet werden soll, kehrt die Steuerung zurück zu Schritt 100. Wenn die Steuerung bestimmt, dass ein Herunterfahren eingeleitet werden soll, fährt die Steuerung mit Schritt 102 fort. Bei Schritt 102 bestimmt die Steuerung den gewünschten Abschaltplan. Die Steuerung schließt das Sperrventil 19 bei Schritt 104. Bei Schritt 106 betätigt die Steuerung das Brennstoffzellensystem 11 auf Grundlage des Abschaltplans, um den restlichen H2 innerhalb der Rohrleitung 30 zu verwenden. Bei Schritt 108 bestimmt die Steuerung, ob PCOND gleich PDES ist. Wenn PCOND nicht gleich PDES ist, kehrt die Steuerung zurück zu Schritt 106. Wenn PCOND gleich PDES ist, fährt die Steuerung mit Schritt 110 fort. Bei Schritt 110 fährt die Steuerung das Brennstoffzellensystem 11 herunter, indem eine weitere Strömung von Anodenreaktand durch den Regler 18 verhindert wird.
  • Zusammengefasst umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, eine Anodenreaktandenquelle und ein Sperrventil, das eine Strömung von Anodenreaktand von der Anodenreaktandenquelle durch eine Leitung an den Brennstoffzellenstapel wahlweise verhindert. Ein Steuermodul leitet ein Schließen des Sperrventils ein, um eine Strömung von Anodenreaktand durch die Leitung zu verhindern, und bestimmt einen Abschaltplan auf Grundlage einer Restmasse des Anodenrektanden in der Leitung. Das Steuermodul betreibt das Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Restmasse und auf Grundlage des Abschaltplans.

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel; einer Anodenreaktandenquelle; einem Sperrventil, das eine Strömung von Anodenreaktand von der Anodenreaktandenquelle durch eine Leitung an den Brennstoffzellenstapel wahlweise verhindert; und einem Steuermodul, das ein Schließen des Sperrventils einleitet, um eine Strömung von Anodeneaktand durch die Leitung zu verhindern, das einen Abschaltplan auf Grundlage einer Restmasse des Anodenreaktanden in der Leitung bestimmt und das das Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Restmasse und auf Grundlage des Abschaltplans betreibt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Drucksensor, der einen Druck in der Leitung überwacht.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Steuermodul das Brennstoffzellensystem herunterfährt, wenn der Druck in der Leitung einen Solldruck erreicht.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Restmasse auf Grundlage von Abmessungen der Leitung und einem Lieferdruck zu der Leitung bestimmt wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermodul die Verwendung der restlichen Masse auf Grundlage des Abschaltplans überwacht und das Brennstoffzellensystem herunterfährt, wenn sich die restliche Masse unterhalb einer Schwellenmasse befindet.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Abschaltplan eine Energieverteilung an Komponenten angibt, die von dem Brennstoffzellensystem während einer Abschaltperiode betrieben werden.
  7. Verfahren zum Herunterfahren bzw. Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend, dass: ein Sperrventil geschlossen wird, um eine Strömung von Anodenreaktand durch eine Leitung zu verhindern, die eine Anodenreaktandenquelle und einen Brennstoffzellenstapel verbindet; ein Abschaltplan auf Grundlage einer Restmasse an Anodenreaktand in der Leitung bestimmt wird; und das Brennstoffzellensystem unter Verwendung der Restmasse und auf Grundlage des Abschaltplans betrieben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass ein Druck in der Leitung überwacht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass das Brennstoffzellensystem heruntergefahren wird, wenn der Druck in der Leitung einen Solldruck erreicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass die Restmasse auf Grundlage von Abmessungen der Leitung bestimmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass: die Verwendung der Restmasse auf Grundlage des Abschaltplans überwacht wird; und das Brennstoffzellensystem heruntergefahren wird, wenn sich die Restmasse unterhalb einer Schwellenmasse befindet.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Abschaltplan eine Energieverteilung an Komponenten angibt, die von dem Brennstoffzellensystem während einer Abschaltperiode betrieben werden.
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