DE102008046243A1 - Implementierung eines nichtflüchtigen Speichers einer Motorcontrollereinheit zur Messung der Zeitdauer eines Brennstoffzellensystems in einem Abschalt- oder Bereitschaftzustand - Google Patents

Implementierung eines nichtflüchtigen Speichers einer Motorcontrollereinheit zur Messung der Zeitdauer eines Brennstoffzellensystems in einem Abschalt- oder Bereitschaftzustand Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Bereitstellen einer genauen Zeitdauer, durch das ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet worden ist, so dass Kenntnis über die Gasbestandteile in der Anoden- und Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels für eine effiziente nächste Systemstartabfolge erlangt werden kann. Das Verfahren verwendet zwei Zeitgeber, einen Bereitschaftszeitgeber, der eine Zeitzählung darüber bereitstellt, für wie lange das Brennstoffzellensystem abgestellt war, jedoch die Fahrzeugzündung immer noch eingeschaltet ist, und einen Abschaltzeitgeber, der eine Zeitzählung bereitstellt, für wie lange die Fahrzeugzündung abgestellt war. Die beiden Zeitzählungen werden addiert, um eine vollständige Zeitzählung zu ergeben, für wie lange der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet worden ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Bestimmung der Zeitdauer, in der ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet worden ist, und insbesondere ein Verfahren zur Bestimmung, wie lang ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug abgeschaltet worden ist, das eine Kombination eines Bereitschaftszeitgebers, der eine Zeitzählung bereitstellt, wenn die Fahrzeugzündung immer noch eingeschaltet ist, jedoch das Brennstoffzellensystem abgestellt ist, und einen Abschaltzeitgeber umfasst, der eine Zeitzählung bereitstellt, wenn die Fahrzeugzündung abgestellt ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Proto nen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben genannten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen besitzen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
  • Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
  • In der Technik ist es vorgeschlagen worden, ein Umschalten der Stapelreihenfolge oder ein Umschalten der Anodenströmung in einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das geteilte Stapel verwendet. Insbesondere sind Ventile und eine Verrohrung in dem System vorgesehen, so dass auf eine zyklische Art und Weise das einen ersten Substapel verlassende Anodenabgas an die Anodenseite eines zweiten Substapels geliefert wird und das den zweiten Substapel verlassende Anodenabgas an die Anodenseite des ersten Substapels geliefert wird.
  • Wenn ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet ist, verbleibt nicht reagiertes Wasserstoffgas in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Dieses Wasserstoffgas ist in der Lage, durch die Membran zu diffundieren oder diese zu überqueren und mit dem Sauerstoff in der Kathodenseite zu rea gieren. Wenn das Wasserstoffgas an die Kathodenseite diffundiert, wird der Gesamtdruck auf der Anodenseite des Stapels unter Umgebungsdruck reduziert. Diese Druckdifferenz zieht Luft aus der Umgebung in die Anodenseite des Stapels. Wenn die Luft in die Anodenseite des Stapels eintritt, erzeugt sie eine Wasserstoff/Luft-Front, die einen Kurzschluss in der Anodenseite erzeugt, was in einem Querfluss von Wasserstoffionen von dem wasserstoffgefluteten Abschnitt der Anodenseite zu dem luftgefluteten Abschnitt der Anodenseite resultiert. Dieser hohe Ionenstrom kombiniert mit dem hohen Querionenwiderstand der Membran erzeugt einen signifikanten Querpotentialabfall (~ 0,5 V) über die Membran. Dies erzeugt ein lokal hohes Potential zwischen der Kathodenseite gegenüberliegend dem luftgefüllten Abschnitt der Anodenseite und benachbart des Elektrolyten, das eine schnelle Kohlenstoffkorrosion antreibt und zur Folge hat, dass die Kohlenstoffschicht dünner wird. Dies verringert die Abstützung für die Katalysatorpartikel, was die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabsetzt.
  • Beim nächsten Systemstart werden unter der Annahme, dass ausreichend Zeit vergangen ist, sowohl die Kathoden- als auch Anodenströmungskanäle allgemein mit Luft gefüllt. Wenn Wasserstoff in die Anodenströmungskanäle beim Systemstart eingeführt wird, drückt der Wasserstoff die Luft in den Anodenströmungskanälen heraus, was ebenfalls eine Wasserstoff/Luft-Front erzeugt, die durch die Anodenströmungskanäle gelangt. Die Wasserstoff/Luft-Front bewirkt eine katalytische Reaktion entlang der Länge der Membran in jeder Brennstoffzelle, wenn sich die Front bewegt, die in Kombination mit der Reaktion über die Membran ein hohes elektrisches Spannungspotential erzeugt. Dieses kombinierte elektrische Spannungspotential ist hoch genug, um den Katalysator und die Kohlenstoffpartikel, an denen der Katalysator ausgebildet ist, ernsthaft zu schädigen, wodurch die Lebensdauer der MEAs in dem Brennstoffzellenstapel redu ziert wird. Insbesondere ist die durch die Wasserstoff/Luft-Front erzeugte Reaktion in Kombination mit der normalen Brennstoffzellenreaktion um Größenordnungen größer als nur die Brennstoffzellenreaktion über die Membran. Beispielsweise ist es gezeigt worden, dass es ohne Berücksichtigung der Schädigungseffekte der Wasserstoff/Luft-Front beim Systemstart nur etwa 100 Abschalt- und Startzyklen benötigt, um den Brennstoffzellenstapel auf diese Weise zu zerstören.
  • In der Technik ist es vorgeschlagen worden, den Schädigungseffekt der Wasserstoff/Luft-Front beim Systemstart dadurch zu reduzieren, dass Wasserstoff durch die Anodenströmungskanäle so schnell wie möglich getrieben wird, um die Zeitdauer zu reduzieren, in der die Schädigung auftritt. Es ist auch vorgeschlagen worden, Wasserstoff in die Anodenströmungskanäle mit einer langsamen Rate einzuführen, um ein aktives Mischen der Luft und des Wasserstoffs vorzusehen, um die Wasserstoff/Luft-Front zu beseitigen. In der Technik ist es auch vorgeschlagen worden, die Brennstoffzelle vor Entfernung des Wasserstoffs aus den Anodenströmungskanälen zu kühlen. Jedoch haben all diese Lösungen die Wasserstoff/Luft-Schädigung nicht ausreichend reduziert, um eine gewünschte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Insbesondere beseitigt eine schnelle Bewegung der Wasserstoff/Luft-Front die Schädigung des Katalysators nicht vollständig und erfordert eine übergroße Verrohrung und andere Komponenten, um die Luft schnell aus den Anodenströmungskanälen zu spülen. Eine langsame Einführung des Wasserstoffs beim Start besitzt den Nachteil, dass eine Umwälzpumpe erforderlich ist, die mehrere Minuten benötigt, um die Luft vollständig aus den Anodenströmungskanälen zu entfernen. Ferner ist das Erfordernis einer präzisen Steuerung der Wasserstoffmenge in die Anodenströmungskanäle schwierig zu implementieren.
  • In der Technik ist es auch vorgeschlagen worden, eine Last über den Brennstoffzellenstapel, wie einen Widerstand, bereitzustellen, um das durch die Wasserstoff/Luft-Front erzeugte elektrische Potential zu reduzieren. Jedoch erfordert eine Last mit äußerst geringem Widerstand elektrische Komponenten mit einer hohen Nennleistung. Auch kann ein Strömungsausgleich zwischen Zellen in einem Brennstoffzellenstapel eine Korrosion an den Zellenanoden zur Folge haben. Ferner ist bei den meisten Ausführungsformen ein Widerstand für sich allein typischerweise nicht ausreichend, um eine Kohlenstoffkorrosion zu minimieren.
  • Auf Grundlage der Diskussion oben ist es offensichtlich, dass es erwünscht ist, die Gasbestandteile in der Anoden- und Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels beim Systemstart für eine effizientere und sicherere Startabfolge zu kennen. Auf Grundlage der Zeitdauer seit der letzten Systemabschaltung können Simulationen betrieben werden, um zu zeigen, welche Gasbestandteile sich in dem Brennstoffzellenstapel befinden. Daher ist es erwünscht, Kenntnis darüber zu besitzen, wie lange ein Brennstoffzellenstapel abgeschaltet worden ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren offenbart, um eine genaue Zeitdauer bereitzustellen, die ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet worden ist, so dass Kenntnis über die Gasbestandteile in der Anoden- und Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels für eine effiziente nächste Systemstartabfolge erlangt werden kann. Das Verfahren verwendet zwei Zeitgeber, nämlich einen Bereitschaftszeitgeber, der eine Zeitzählung bereitstellt, für wie lange das Brennstoffzellensystem abgestellt worden ist, jedoch die Fahrzeugzündung immer noch eingeschaltet ist, als auch einen Abschaltzeitgeber, der eine Zeitzählung bereitstellt, für wie lange die Fahrzeugzündung abgestellt worden ist. Die beiden Zeitzählungen werden addiert, um eine vollständige Zeitzählung darüber zu ergeben, für wie lange der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet worden ist.
  • Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das geteilte Stapel verwendet, die über ein Umschalten der Anodenströmung betrieben werden;
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das eine Startabfolge eines Brennstoffzellensystems zeigt, die eine Zeitzählung der Erfindung verwendet; und
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren, um eine Zeitzählung vorzusehen, für wie lange ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet worden ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren gerichtet ist, um zu bestimmen, wie lange ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet worden ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch einzuschränken.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem ersten geteilten Brennstoffzellenstapel 12 und einem zweiten geteilten Brennstoffzellenstapel 14. Ein Kompressor 16 liefert Kathodeneingangsluft auf einer Kathodeneingangsleitung 18 an die geteilten Stapel 12 und 14 durch ein normalerweise geschlossenes Kathodeneingangsventil 20. Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel auf Leitung 24 ausgegeben und Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel 14 auf Leitung 26 ausgegeben, wobei das Kathodenabgas in eine einzelne Kathodenausgangsleitung 28 kombiniert wird. Ein normalerweise geschlossenes Kathodengegendruckventil 30 steuert die Strömung des Kathodenabgases durch die Leitung 28. Eine Kathodenbypassleitung 32 zwischen der Eingangsleitung 18 und der Ausgangsleitung 28 erlaubt, dass die Kathodeneingangsluft die Stapel 12 und 14 umgehen kann. Ein normalerweise geschlossenes Bypassventil 34 steuert, ob die Kathodenluft die Stapel 12 und 14 umgeht. Wenn die Ventile 20 und 30 geschlossen sind und das Ventil 34 offen ist, dann umgeht Luft von dem Kompressor 16 die Stapel 12 und 14. Typischerweise ist eine Kathodenbefeuchtungseinheit (nicht gezeigt) an einem geeigneten Ort in der Kathodeneingangsleitung 18 vorgesehen.
  • Bei dieser nicht beschrankenden Ausführungsform verwenden die geteilten Stapel 12 und 14 ein Umschalten der Anodenströmung, bei dem das Anodenreaktandengas durch die geteilten Stapel 12 und 14 in einem vorbestimmten Zyklus auf eine Art und Weise vor und zurück strömt, die dem Fachmann gut bekannt ist. In einer abwechselnden Folge injiziert ein Injektor 38 Wasserstoffgas von einer Wasserstoffgasquelle 40 durch die Anodenleitung 42 an den geteilten Stapel 12 und ein Injektor 44 injiziert Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 46 durch die Anodenleitung 48 an den geteilten Stapel 14. Normalerweise geschlossene Anodenströmungsumschaltventile 50 und 52 werden dazu verwendet, das Umschalten der Anodenströmung bereitzustellen. Wenn das Ventil 50 geschlossen ist und das Ventil 52 geöffnet ist, strömt Wasserstoffgas von der Quelle 40 in den Stapel 12 auf der Leitung 42, durch eine Verbinderleitung 54 zwischen den geteilten Stapeln 12 und 14, in den geteilten Stapel 14 und aus der Anodenleitung 46 durch das Ventil 52 zur Mischung mit dem Kathodenabgas in der Kathodenabgasausgangsleitung 28 heraus. Ähnlicherweise strömt, wenn das Ventil 52 geschlossen ist und das Ventil 50 geöffnet ist, Wasserstoffgas von der Wasserstoffquelle 46 in den geteilten Stapel 14 auf der Leitung 46, durch die Verbinderleitung 54, in den geteilten Stapel 12 und durch das Ventil 50 zur Mischung mit dem Kathodenabgas in der Leitung 28 heraus.
  • Ein Wasserabscheider 60 ist mit der Verbinderleitung 54 gekoppelt und sammelt Wasser in der Anodengasströmung zwischen den geteilten Stapeln 12 und 14. Ein normalerweise geschlossenes Ablassventil 62 wird periodisch geöffnet, um das Wasser auf Leitung 64 an die Kathodenabgasleitung 28 abzulassen. Ferner ist ein Anodenabgasspülventil 66 mit der Verbinderleitung 54 und der Leitung 64 aus Gründen gekoppelt, die nachfolgend aus der Diskussion offensichtlich werden.
  • Die Brennstoffzellenstapel 12 und 14 erzeugen Strom. Im normalen Stapelbetrieb wird der von den Stapeln 12 und 14 erzeugte Strom dazu verwendet, Systemlasten zu betreiben, wie ein elektrisches Traktionssystem (ETS) 70 an einem Fahrzeug. Während einer Abschaltfolge kann der durch die Stapel 12 und 14 erzeugte Strom dazu verwendet werden, eine Batterie 72 zu laden, oder kann durch andere Systemkomponenten dissipiert werden und dann durch einen Widerstand 74 dissipiert werden.
  • Für eine Systemabschaltabfolge wird der Kompressor 16 gestoppt und die Ventile 20 und 30 werden geschlossen, um die Kathodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten. Die Wasserstoffströmung wird fortgesetzt, so dass jeglicher verbleibende Sauerstoff in den Stapeln 12 und 14 verbraucht wird. Wenn die Stapelleistung auf einen vorbestimmten Pegel abfällt, wird der durch die Stapel 12 und 14 erzeugte Strom von dem ETS 70 auf die Batterie 72 geschaltet. Wenn die Stapelleistung auf einen anderen vorbestimmten Pegel abnimmt, wird die Stapellast an den Widerstand 74 geschaltet. Insbesondere wird, sobald die Spannung sich auf eine fixierte kritische Spannung bzw. Endspannung verschlechtert hat, die Stapellast an den Widerstand 74 geschaltet. Die Endspannung kann die untere Grenze eines DC/DC-Wandlers (nicht gezeigt) oder die untere Grenze einer Leistungsvorrichtung sein. Die Aufgabe der Batterielast besteht darin, jegliche Energie zu verbrauchen und/oder zu speichern, die ansonsten ungenutzt wäre. Sie verringert auch die Energieverbrauchsanforderungen der Widerstandslast.
  • Sobald der Sauerstoff von den Stapeln 12 und 14 verbraucht worden ist, wird die Wasserstoffströmung abgeschaltet und die Ventile 50, 52, 62 und 66 werden geschlossen, um die Anodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten. Wenn das System 10 auf diese Weise abgeschaltet wird, umfassen die Stapel 12 und 14 eine N2/H2-Mischung in sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite. Mit der Zeit leckt Luft in die Stapel 12 und 14, und der Wasserstoff in dem Stapel 12 und 14 verbraucht anfänglich den Sauerstoff. Zusätzlich leckt der Wasserstoff langsam aus den Stapeln 12 und 14. Infolgedessen variiert die Zusammensetzung der Gase in den Stapeln 12 und 14 über die Zeit zwischen einer wasserstoffreichen Mischung in Stickstoff und Wasser zu einer Luftmischung.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren verwendet, um zu bestimmen, wie lange das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet worden ist oder ein Schnellstopp aufgetreten ist, so dass eine Schätzung der Gaskonzentration und -zusammensetzung in den geteilten Stapeln 12 und 14 für eine richtige Startabfolge erhalten werden kann. Die ungefähre Gaskonzentration in der Kathodenseite und der Anodenseite kann über die Zeit auf Grundlage von Gaskinetik und Annahmen über das System 10 vorhergesagt werden. Durch Kenntnis der Gaskonzentrationen in dem System während der Zeit, in der sich das System 10 in Bereitschaft oder einem Zustand mit abgezogenem Schlüssel befindet, können bestimmte Verfahren verwendet werden, um sicherzustellen, dass eine optimierte nächste Startabfolge stattfindet. Es existieren bestimmte Anforderungen, die Sicherheit, Emissionen, Zuverlässigkeit wie auch Haltbarkeit betreffen und die durch Beeinflussung der Zustände erreicht werden können, die die Startabfolge definieren.
  • Um dies zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung einen Bereitschaftszeitgeber, der die Zeitdauer zählt, die das System 10 abgestellt ist, jedoch sich der Schlüssel immer noch in der Fahrzeugzündung befindet und in der EIN- oder Zubehör-(ACC)-Position ist, und einen Abschaltzeitgeber vor, der die Zeitdauer zählt, in der die Zündung abgestellt ist. Daher können sowohl gewünschte Stopps als auch Schnellstopps des Systems 10 abgedeckt werden, um zu bestimmen, wie viel Zeit seit der letzten Stapelabschaltung vergangen ist. Wenn das System 10 abgestellt ist, jedoch der Schlüssel sich immer noch in der Zündung befindet, akkumuliert der Bereitschaftszeitgeber die Zeitdauer von dem Zeitpunkt an, wenn das System abgeschaltet wurde. Wenn der Schlüssel aus der Zündung entfernt wird, wird der Bereitschaftszeitwert gespeichert und der Abschaltzeitgeber wird gestartet. Wenn der Schlüssel zurück in die Zündung geführt und das System 10 gestartet wird, werden die Bereitschaftszeit und die Ab schaltzeit addiert, um einen vollständigen Abstellzeitwert zur Bestimmung der Gaskonzentration in den Anoden- und Kathodenseiten der geteilten Stapel 12 und 14 bereitzustellen.
  • Wenn der Abstellzeitwert kleiner als 500 Sekunden ist, ist die Wasserstoffkonzentration an der Anodenseite hoch und wird verbraucht. Der Anodendruck nimmt aufgrund einer hohen Sauerstoffverbrauchsrate schnell ab. Wenn der Abstellzeitwert zwischen 500 und 1000 Sekunden liegt, ist die Wasserstoffkonzentration in der Anodenseite aufgrund eines fortgesetzten Sauerstoffverbrauchs gesunken. Der Anodendruck stellt einen großen Unterdruck aufgrund einer reduzierten Wasserstoffkonzentration bereit. Wenn der Abstellzeitwert zwischen 1000 und 10.000 Sekunden liegt, ist der Wasserstoff in der Anodenseite weiter gesunken, da Sauerstoff in der Kathode zurück in die Anodenseite diffundiert. Die Kathodenkonzentration beginnt nach einer Spitze zu sinken. Der Anodendruck erholt sich, wenn Stickstoff in der Luft in die Anodenseite eintritt, um die Partialdruckdifferenz zu kompensieren. Wenn der Abstellzeitwert größer als 10.000 Sekunden ist, ist die Wasserstoffkonzentration in der Anodenseite gering, eine Diffusion von der Anodenseite zu der Kathodenseite hält jedoch weiterhin an. Der Anodendruck erreicht Umgebungsdruck, wenn Luft in die Anodenseite eintritt.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das einen Startprozess eines Brennstoffzellensystems zeigt, der die Bereitschafts- und Abschaltzeitwerte verwendet. Während sich das Brennstoffzellensystem bei Kasten 82 in dem abgestellten Zustand befindet, zählt der Abschaltzeitgeber bei Kasten 84. Das Brennstoffzellensystem 10 nimmt bei Kasten 86 eine Startanforderung auf, und das System hält den Abschaltzeitwert bei Kasten 88. Der Kompressor 16 wird bei Kasten 90 hochgefahren, um Verdünnungsluft an dem Stapelausgang für das Anodenwasserstoffgas von der Anodenseite der ge teilten Stapel 12 und 14 bereitzustellen. Das System 10 bestimmt bei Entscheidungsraute 92, ob ein Fehlstart, ein abgebrochener Start oder ein Schnellstopp aufgetreten ist. Wenn dies der Fall ist, nimmt der Abschaltzeitgeber bei Kasten 94 die Zählung wieder auf, die gehalten worden ist. Wenn bei der Entscheidungsraute 92 kein Fehlstart, abgebrochener Start oder Schnellstopp aufgetreten ist, bestimmt das System 10 bei Entscheidungsraute 96, ob der Anodendruck größer als ein vorbestimmter Wert ist, wie 150 kPa. Wenn der Anodendruck an der Entscheidungsraute 96 größer als der vorbestimmte Wert ist, fährt das System 10 mit dem nächsten Schritt in der Startabfolge fort, der bei Kasten 98 eine Kathodenluftbefüllung für die Kathodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 bereitstellt und einen anodenseitigen Differenzdrucksollwert bereitstellt. Das System 10 sieht dann bei Kasten 100 eine parallele Lieferung einer Wasserstoffgasströmung an die Anodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 vor und stellt bei Kasten 102 einen Normalbetrieb bereit.
  • Wenn der anodenseitige Druck an der Entscheidungsraute 96 kleiner als der vorbestimmte Wert ist, dann stellt die Systemstartabfolge bei Kasten 104 eine Sammelleitungsspülung für die Anodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 bereit. Sobald der Anodendruck bei Kasten 106 einen vorbestimmten Wert, wie 107 kPa, erreicht, stellt das System 10 bei Kasten 108 eine normale Anodenströmungsumschaltung und bei Kasten 110 eine Stapelbefüllung bereit. Der Systembetrieb kehrt dann zu dem Kasten 98 für einen Normalsystembetrieb zurück.
  • 3 ist ein Flussdiagramm 120, das einen Betriebsablauf zeigt, um während der Systemabschaltung die Bereitschaftszeitzählung wie auch die Abschaltzeitgeberzählung, wie oben diskutiert ist, bereitzustellen. Wenn das System 10 bei Kasten 122 läuft, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 124 periodisch, ob eine Systemabschaltung vorhan den ist. Wenn eine Systemabschaltung an der Entscheidungsraute 124 vorhanden ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 126, ob eine nächste Startabfolge einen bestimmten Zustand erreicht hat, bei dem Kathodenverdünnungsluft bereitgestellt wird. Wenn die Startabfolge diesen Zustand nicht erreicht hat, dann fährt der Bereitschaftszeitgeber bei Kasten 132 mit einem Zählen von einer vorhergehenden Bereitschaftszählung aus fort. Wenn die Startabfolge an der Entscheidungsraute 126 den Kathodenverdünnungszustand erreicht hat, setzt der Algorithmus dann bei Kasten 128 die Bereitschaftszeit auf Null. Der Algorithmus startet dann bei Kasten 130 eine Erhöhung des Bereitschaftszeitgebers.
  • Der Algorithmus bestimmt dann an der Entscheidungsraute 134, ob die Zündung ausgeschaltet worden ist. Wenn die Zündung an der Entscheidungsraute 134 ausgeschaltet worden ist, stoppt der Algorithmus dann eine Erhöhung des Bereitschaftszeitgebers bei Kasten 136. Der Bereitschaftszeitgeber, der die Systemabstellzählung bereitstellt, während die Zündung eingeschaltet ist, wird gespeichert. Der Abschaltzeitgeber erhöht nun die Zeitdauer, in der das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet worden ist.
  • Der Algorithmus bestimmt dann an der Entscheidungsraute 138, ob die Zündung nach der vorhergehenden Abschaltung des Brennstoffzellensystems 10 eingeschaltet worden ist. Wenn die Zündung nicht eingeschaltet worden ist, fährt der Abschaltzeitgeber dann bei dem Kasten 136 mit einer Erhöhung fort. Wenn die Zündung an der Entscheidungsraute 138 eingeschaltet worden ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 140, ob die Abschaltzeitzählung auf Null gestellt ist, um zu bestimmen, ob während der Zeitdauer, in der das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet war, ein Verlust an Batterieleistung aufgetreten ist. Wenn die Abschaltzeit an der Entscheidungsraute 140 nicht Null ist, was bedeutet, dass der Zeitgeber während der Abschaltzeitdauer geeignet Leistung hatte, addiert der Algorithmus die gespeicherte Bereitschaftszeit bei Kasten 142 zu der gespeicherten Abschaltzeit, um die Gesamtabstellzeit zu ergeben, die die geteilten Stapel 12 und 14 abgeschaltet und abgesperrt worden sind, so dass der Algorithmus dann die richtige Startabfolge für die Wasserstoffströmung zu der Anodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 bestimmen kann. Der Abstellzeitalgorithmus kehrt dann zu der Entscheidungsraute 134 zurück, um zu bestimmen, ob die Zündung ausgeschaltet worden ist. Wenn die Abschaltzeit an der Entscheidungsraute 140 Null ist, besitzt der Algorithmus dann Kenntnis darüber, dass Batterieleistung verloren gegangen ist, und setzt die Abschaltzeitdauer bei Kasten 144 auf Null.
  • Wenn an der Entscheidungsraute 134 kein Zündungsabstellereignis stattgefunden hat, bestimmt der Algorithmus kontinuierlich an der Entscheidungsraute 146, ob das System 10 gestartet worden ist, und kehrt, wenn dies der Fall ist, zu dem Systembetriebskasten 122 zurück, um an der Entscheidungsraute 124 auf die nächste Systemabschaltung zu warten. Wenn die Zündung an der Entscheidungsraute 134 nicht abgestellt ist und an der Entscheidungsraute 146 kein Startereignis stattgefunden hat, bestimmt der Algorithmus dann an der Entscheidungsraute 148, ob Batterieleistung verlorengegangen ist, und erhöht, wenn dies nicht der Fall ist, den Bereitschaftszeitgeber an dem Kasten 130. Somit läuft der Brennstoffzellencontroller, wenn die Zündung nicht abgeschaltet worden ist, kein Startereignis stattgefunden hat und kein Batterieleistungsverlust aufgetreten ist, jedoch ist das System 10 nicht gestartet worden. Somit fährt der Bereitschaftszeitgeber mit einer Erhöhung fort. Wenn an der Entscheidungsraute 148 ein Batterieleistungsverlust stattgefunden hat, dann setzt der Algorithmus bei Kasten 150 den Abschaltzeitgeber auf Null und kehrt zu der Entscheidungsraute 146 zurück, um ein Startereignis abzuwarten.
  • Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims (19)

  1. Verfahren zur Bestimmung, wie lange ein Brennstoffzellensystem keinen Wasserstoff an eine Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels nach einer Systemabschaltung geliefert hat, wobei das Verfahren umfasst, dass: bestimmt wird, ob das System abgeschaltet worden ist; eine Bereitschaftszeit erhöht wird, wenn das System abgeschaltet worden ist und ein Brennstoffzellencontroller eingeschaltet ist; eine Abschaltabstellzeit erhöht wird, wenn das System abgeschaltet worden ist und der Motorcontroller abgestellt ist; bestimmt wird, ob die Zündung nach einem vorhergehenden Zündungsabstellereignis eingeschaltet worden ist; und die Bereitschaftszeit und die Abschaltzeit addiert werden, um eine Abstellzeit bereitzustellen, die dazu verwendet werden kann, die Gaszusammensetzung in der Anodenseite des Stapels zu bestimmen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass bestimmt wird, ob eine Brennstoffzellensystembatterie Leistung verloren hat, wenn die Zündung abgestellt war.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass die Bereitschaftszeit auf Null gesetzt wird, wenn die Brennstoffzellensystembatterie Leistung verloren hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass bestimmt wird, ob Verdünnungsluft von einem Kompressor geliefert wird, um Anodenabgas zu verdünnen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend, dass die Bereitschaftszeit auf Null gesetzt wird, wenn die Verdünnungsluft geliefert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel aufweist, die mit Anodenströmungsumschaltung betrieben werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Systemabschaltung ein Absperren der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abstellzeit dazu verwendet wird, eine richtige Startabfolge des Brennstoffzellensystems zu bestimmen.
  9. Verfahren zur Bestimmung, wie lange ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug abgeschaltet worden ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Bereitschaftszeit erhöht wird, wenn das System abgeschaltet worden ist, sich jedoch ein Schlüssel in einer Fahrzeugzündung in einer Ein- oder Zubehörposition befindet; eine Abschaltabstellzeit erhöht wird, wenn das System abgeschaltet worden ist und der Schlüssel nicht in der Fahrzeugzündung ist; und die Bereitschaftszeit und die Abschaltzeit addiert werden, um eine Gesamtsystemabstellzeit bereitzustellen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass bestimmt wird, ob eine Brennstoffzellensystembatterie Leistung verloren hat, als die Zündung abgestellt war.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend, dass die Bereitschaftszeit auf Null gesetzt wird, wenn die Brennstoffzellensystembatterie Leistung verloren hat.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend, dass bestimmt wird, ob Verdünnungsluft von einem Kompressor geliefert wird, um Anodenabgas zu verdünnen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend, dass die Bereitschaftszeit auf Null gesetzt wird, wenn die Verdünnungsluft geliefert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffzellenstapel einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel aufweist, die mit Anodenströmungsumschaltung betrieben werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Systemabschaltung ein Absperren der Kathoden- und Anodenseite des Brennstoffzellenstapels aufweist.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abstellzeit dazu verwendet wird, eine richtige Startabfolge des Brennstoffzellensystems zu bestimmen.
  17. Verfahren zur Bestimmung, wie lange geteilte Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug abgeschaltet worden sind, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Bereitschaftszeit erhöht wird, wenn die geteilten Stapel abgeschaltet worden sind, sich jedoch ein Schlüssel in einer Fahrzeugzündung befindet und in einer Ein- oder Zubehörposition ist; eine Abschaltabstellzeit erhöht wird, wenn die geteilten Stapel abgeschaltet worden sind und der Schlüssel nicht in der Fahrzeugzündung ist; bestimmt wird, ob die Zündung nach einem vorhergehenden Zündabstellereignis eingeschaltet worden ist; und die Bereitschaftszeit und die Abschaltzeit addiert werden, um eine Abstellzeit bereitzustellen, die dazu verwendet werden kann, die Gaszusammensetzung in der Anodenseite des Stapels zu bestimmen und eine richtige Startabfolge des Brennstoffzellensystems zu bestimmen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass bestimmt wird, ob eine Brennstoffzellensystembatterie Leistung verloren hat, als die Zündung abgestellt war.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass die Bereitschaftszeit auf Null gesetzt wird, wenn die Brennstoffzellensystembatterie Leistung verloren hat.
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