DE102013108197A1 - Automatischer Kältespeicherschutz für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Automatischer Kältespeicherschutz für ein Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Ein System und ein Verfahren zum selektiven Bestimmen, ob eine Frostspülung beim Herunterfahren eines Brennstoffzellenstapels ausgeführt werden sollte. Das Verfahren beinhaltet das Identifizieren, dass das Fahrzeug ausgeschaltet wurde, und ein darauf folgendes Bestimmen, ob eine Stapelmembranbefeuchtung kleiner als ein vorbestimmter Befeuchtungswert ist, der die Feuchtigkeit der Membranen in den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel identifiziert. Wenn der Stapelmembranbefeuchtungswert nicht kleiner als der vorbestimmte Befeuchtungswert ist, bestimmt dann das Verfahren, ob die Umgebungstemperatur unterhalb einer vorbestimmten Umgebungstemperatur ist, und wenn dies der Fall ist, führt das Verfahren die Frostspülung aus. Wenn die Umgebungstemperatur nicht unterhalb der vorbestimmten Umgebungstemperatur ist, führt das Verfahren dann eine kurze Nicht-Frostspülung der Flusskanäle in dem Brennstoffzellenstapel aus. Das Verfahren bestimmt eine Aufwachzeit für ein Steuergerät für eine nächste Zeit, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung ausgeführt werden sollte.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum selektiven Bereitstellen einer Frostspülung eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum selektiven Bereitstellen einer Frostspülung eines Brennstoffzellenstapels bei einer Systemabschaltung, das die Zellmembranbefeuchtung, die Umgebungstemperatur und andere Faktoren in Betracht zieht.
  • 2. Diskussion des Standes der Technik
  • Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
  • Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen die mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
  • Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einem eingestellten Feuchtigkeitsgrad, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die relative Feuchtigkeit (RH) des Kathodenausgangsgases aus dem Brennstoffzellenstapel wird typischerweise eingestellt, um den Feuchtigkeitsgrad der Membranen durch Einstellen verschiedener Stapelbetriebsparameter zu regeln, beispielsweise dem Stapeldruck, der Temperatur, der Kathodenstöchiometrie und der relativen Feuchtigkeit der Kathodenluft in den Stapel. Es ist im Stand der Technik bekannt, Wasser aus dem Kathodenabgasstrom wiederzuerlangen und in den Stapel zurück über den Kathodeneinlassluftfluss zu führen. Viele Geräte könnten dazu verwendet werden, diese Funktion auszuführen, beispielsweise eine Wasserdampftransfereinheit (WVT). Durch Einhalten eines bestimmten Sollwerts für die relative Feuchtigkeit des Kathodenauslasses, beispielsweise 80%, kann ein korrekter Befeuchtungsgrad der Stapelmembran aufrechterhalten werden.
  • Es ist im Stand der Technik bekannt, Hochfrequenzwiderstandsmessungen (HFR) an den Membranen in einem Brennstoffzellenstapel auszuführen, um eine genaue Messung des Wassers oder der Membranbefeuchtung im Brennstoffzellenstapel zu erlangen. HFR-Messsysteme liefern einen Hochfrequenzanteil an der elektrischen Last des Stapels, welche dazu dient, eine Hochfrequenzwelligkeit auf dem Ausgangsstrom des Stapels zu erzeugen. Der Widerstand des Hochfrequenzanteils wird gemessen, welche eine Funktion für den Betrag an Wasser in dem Stapel ist.
  • Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems ist es wünschenswert, dass die Membranen einen gewissen Feuchtigkeitsgrad aufweisen, so dass sie nicht zu nass oder zu trocken sind. Dies wird typischerweise durch Spülen von entweder der Kathodenseite des Stapels oder von sowohl der Kathodenseite als auch der Anodenseite des Stapels mit trockener Luft für eine gewisse Zeitdauer erreicht. In einem bekannten Verfahren wird die Spülung der Anodenseite vorgenommen, indem Luft durch die Membranen von der Kathodenseite aus geblasen wird. Zu viel Wasser in dem Stapel kann bei Niedrigtemperaturumgebungen Probleme erzeugen, wobei das Frieren von Wasser Eis erzeugen könnte, das die Flusskanäle blockiert und den Wiederstart des Systems beeinträchtigt. Eine zulange Spülung könnte jedoch dazu führen, dass die Membranen zu trocken werden, wobei die Membranen eine zu niedrige Protonenleitfähigkeit beim nächsten Systemwiederstart aufweisen, welches die Wiederstartleistungsfähigkeit beeinträchtigt und auch die Lebensdauer des Stapels reduziert. Der tatsächliche Zielbetrag von Gramm an Wasser in dem Stapel ist von dem System und bestimmten Systemparametern abhängig.
  • Für einen Brennstoffzellenstapel, der 300 Brennstoffzellen aufweist und eine aktive Fläche von ungefähr 400 cm2 pro Zelle besitzt, kann dieser Stapel ungefähr 200 g Wasser aufweisen, wenn das System abgeschaltet wird. Es ist wünschenswert, dass ein Stapel dieser Größe ungefähr 23 g Wasser nach der Systemabschaltung aufweist, so dass die Membranen korrekt hydratisiert sind. 23 g Wasser ist eine Stapel λ von drei, wobei λ die Membranbefeuchtung darstellt, die als die Anzahl von Wassermolekülen für jede Summe von Säuremolekül in der Membran für jede Brennstoffzelle ist. Durch die Kenntnis, wie viel Wasser tatsächlich in dem Brennstoffzellenstapel bei einer Systemabschaltung ist, kann eine gewünschte Luftspülungsflussrate und eine Luftspülungsdauer vorgenommen werden, so dass der Zielwert von λ = 3 erreicht werden kann. Es können Modelle verwendet werden, um den Wassergehalt in dem Stapel basierend auf den Stapelbetriebsparametern während des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu schätzen.
  • Wenn ein Brennstoffzellenstapel zu viel Wasser nach der letzten Systemabschaltung in sich trägt, kann das während eines langen Hochfahrens erzeugte Wasser die Gasflusskanäle blockieren. Je kälter der Stapel beim Hochfahren ist, desto länger dauert es typischerweise, um den Stapel adäquat aufzuheizen und desto wahrscheinlicher ist es, dass das während des Hochfahrens erzeugte Wasser die Gasflusskanäle blockieren wird. Demzufolge dauert es bei sehr kalten Hochfahrtemperaturen, beispielsweise unterhalb von –15°C, länger, den Brennstoffzellenstapel auf 0°C aufzuheizen. Demzufolge wird das Abschaltverfahren für einen erfolgreichen Wiederstart des Brennstoffzellenstapels sehr kritisch, insbesondere wenn die Brennstoffzellenstapeltemperatur –15°C oder kälter ist.
  • Der Stapelspülungsprozess beim Abschalten eines Brennstoffzellensystems und ein Systemfroststartprozess erfordern signifikant Wasserstoffbrennstoff, was, wenn es nicht benötigt wird, verschwenderisch ist. Gewisse Situationen würden nicht davor eine Frostspülungsabschaltung eines Brennstoffzellenstapels erfordern, beispielsweise eine kurze Laufzeit oder ein Betreiben in einer warmen Umgebung. Darüber hinaus kann das Ausführen der Frostspülung, um den Betrag an Wasser in den Brennstoffzellenmembranen zu reduzieren, wünschenswert sein, für einen Frosthochfahrprozess, aber das Austrocknen der Membranen auf diesen Grad üben einen schlechten Effekt auf die Membranlebensdauer aus, da das Steigern und Reduzieren der relativen Feuchtigkeit der Membran, was als RH-cycling bekannt ist, Pinholes erzeugt, die sich in den Membranen bilden, was wiederum die Membranleistungsfähigkeit beeinträchtigt. Demzufolge ist es von einem Standpunkt bezüglich der Membranlebensdauer wünschenswert, die Anzahl von Frostspülungen zu begrenzen. Demzufolge ist es von Vorteil, wenn es bekannt ist, dass eine Frostbedingung nicht auftreten wird, wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet ist, eine Abschaltfrostspülung und das darauffolgende Frosthochfahrverfahren nicht durchzuführen.
  • Eine Art, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung bei einem Herunterfahren des Systems nicht notwendig ist, ist es, die Umgebungstemperatur zu überwachen, und wenn diese Temperatur nicht unterhalb einer bestimmten vorbestimmten Temperatur liegt, dann wird die Frostspülung nicht ausgeführt. Allerdings sind auch andere Umstände, beispielsweise die Zeit seit der letzten Abschaltung des Fahrzeugs, ebenfalls Faktoren bei der Bestimmung, ob die Frostspülung notwendig sein wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehrern der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum selektiven Bestimmen, ob eine Frostspülung beim Herunterfahren eines Brennstoffzellenstapels ausgeführt werden sollte, offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Identifizieren, dass das Fahrzeug abgeschaltet worden ist und ein darauf folgendes Bestimmen, ob ein Befeuchtungswert einer Stapelmembran kleiner als ein vorbestimmter Befeuchtungswert ist, der die Befeuchtung der Membranen in den Brennstoffzellen in den Brennstoffzellenstapel identifiziert. Wenn der Stapelmembranumgebungswert nicht kleiner als der vorbestimmte Befeuchtungsgrad ist, dann bestimmt das Verfahren, ob die Umgebungstemperatur unter einer vorbestimmten Umgebungstemperatur liegt, und wenn dies der Fall ist, wird die Frostspülung ausgeführt. Wenn die Umgebungstemperatur nicht unterhalb der vorbestimmten Umgebungstemperatur liegt, dann führt das Verfahren eine kurze Nicht-Frostspülung der Flusskanäle in dem Brennstoffzellenstapel durch. Wenn die Nicht-Frostspülung ausgeführt wird, bestimmt das Verfahren eine Wake-Up-Zeit, ausgehend von der gegenwärtigen Temperatur bei der Abschaltung für ein Systemsteuergerät für eine nächste Zeit, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung ausgeführt werden sollte. Das Verfahren versetzt das Steuergerät in einen Schlafmodus und wenn das Steuergerät aufwacht, sobald die Wake-Up-Zeit verstrichen ist, bestimmt das Verfahren, ob eine Wake-Up-Temperatur kleiner ist als eine vorbestimmte Frostspülungstemperatur, und wenn dies nicht der Fall ist, berechnet das Verfahren die Wake-Up-Zeit ausgehend von der Wake-Up-Temperatur für einen nächsten Wake-Up des Steuergeräts. Wenn die Wake-Up-Temperatur kleiner als die Frostspülungstemperatur ist, dann initiiert das Verfahren einen Fahrzeugautostart, um den Stapel auf eine vorbestimmte Temperatur aufzuwärmen, und sobald der Stapel die Temperatur erreicht, wird die Frostspülung ausgeführt, nach welcher das System zurück in den Schlafmodus mit keinen weiteren Wake-Ups überführt wird.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem; und
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum selektiven Bestimmen, ob eine Frostspülung während einer Brennstoffzellensystemabschaltung durchgeführt werden sollte, zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum selektiven Bestimmen, ob eine Frostspülung bei einem Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems ausgeführt werden sollte, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise findet die vorliegende Erfindung eine besondere Anwendung bei einem Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug. Fachleute können jedoch leicht erkennen, dass das System und das Verfahren der Erfindung eine Anwendung bei anderen Brennstoffzellensystemen und anderen Anwendungen haben wird.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Der Brennstoffzellenstapel 12 empfängt Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 auf einer Anodeneingangsleitung 16 und ein Anodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Anodenabgasleitung 18 ausgelassen. Ein Kompressor 20 liefert einen Luftfluss an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 22 durch eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) 24, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 26 ausgelassen. Die Kathodenabgasleitung 26 leitet das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 24, um Wasser bereitzustellen, um die Kathodeneingangsluft zu befeuchten. Eine Bypass-Leitung 28 ist um die WVT-Einheit 24 vorgesehen und ein Bypass-Ventil 30 ist in der Bypass-Leitung 28 vorgesehen, wobei das Ventil 30 gesteuert wird, um selektiv das Kathodenabgas durch oder um die WVT-Einheit 24 umzuleiten, um die gewünschte Feuchtigkeit für die Kathodeneingangsluft bereitzustellen.
  • Ein Steuergerät 32 steuert das Bypass-Ventil 30 und den Kompressor 20. Eine Hochfrequenzwiderstandsschaltung (HFR) 34 misst die HFR des Brennstoffzellenstapels 12 und ermöglicht dabei, dass der Feuchtigkeitsgrad λ der Zellenmembranen des Brennstoffzellenstapels 12 von dem Steuergerät 32 bestimmt wird. Ein Brennstoffzellenstapeltemperatursensor 36 liefert eine Temperaturmessung des Brennstoffzellenstapels 12 und ein Umgebungstemperatursensor 38 liefert eine Messung der Umgebungstemperatur.
  • Wie unten im Detail diskutiert werden wird, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 10 vor, welches selektiv bestimmt, ob eine Frostspülung basierend auf verschiedenen Faktoren ausgeführt werden wird, so dass die Frostspülung nur dann ausgeführt werden wird, wenn sie notwendig ist, und demzufolge Systemressourcen, beispielswese der Wasserstoffbrennstoff, effizient genutzt werden und RH-cycling der Membranen reduziert werden kann, um die Stapellebensdauer zu steigern. Wie oben diskutiert, ist eine Frostspülung eine verlängerte Spülung, wenn das Fahrzeug 10 abgeschaltet ist, die bewirkt, dass das System 10 für eine gewisse Zeitdauer nach dem Herunterfahren des Systems weiterläuft. Da das Wasser aus den Flusskanälen während der Spülung herausgedrückt wird, wird eine gesättigte Membran bewirken, dass mehr Wasser in die Kanäle fließt, welches dann ebenfalls ausgespült werden muss. Es ist verständlich, dass die Frostspülung, die hier diskutiert wird, robuster ist, als eine kurze schnelle Spülung, die Wasser aus den Flusskanälen des Stapels 12 entfernt, welche bei jedem Herunterfahren ausgeführt wird, ohne dass die Frostspülung ausgeführt wird.
  • 2 ist ein Flussdiagramm 40, das den Betrieb eines Algorithmus zum selektiven Bestimmen zeigt, ob eine Frostspülung des Brennstoffzellenstapels 12 bei einem Herunterfahren eines Brennstoffzellensystems ausgeführt werden sollte. Der Algorithmus bestimmt, dass der Fahrzeugführer das System 10 im Kasten 42 abgeschaltet hat, und bestimmt dann, ob der Befeuchtungswert λ der Membran kleiner als ein vorbestimmter λ-Wert ist, in diesem nichteinschränkenden Ausführungsbeispiel vier. Wie oben diskutiert, ist λ eine Darstellung der Wassermoleküle in den Membranen der Brennstoffzellen in dem Stapel 12, wobei je höher der λ-Wert ist, desto mehr Wassermoleküle vorhanden sind. Das Bestimmen des λ-Werts wird ausgeführt, da es gewisse Zeiten geben kann, bei den kein signifikanter Betrag an Wasser in dem Stapel 12 erzeugt würde, beispielsweise wenn das Fahrzeug 10 nur für eine kurze Zeitdauer angeschaltet war, wobei der λ-Wert anzeigen wird, dass die Frostspülung nicht notwendig ist. Es wurde erkannt, dass ein λ-Wert von 4 oder weniger eine hinreichend trockene Membran anzeigt, wobei gefrorenes Wasser innerhalb des Stapels 12 kein Problem bei dem nächsten Hochfahren des Systems darstellen würde. Der λ-Wert kann auf jede geeignete Art und Weise bestimmt werden, beispielsweise durch Berechnen des HER der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 unter Verwendung der Schaltung 34 in Kombination mit einer Kühlmitteltemperatur des Stapels. Es ist darüber hinaus bekannt, die relative Feuchtigkeit der Kathodenluft im Einlass zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu überwachen, welche dann dazu verwendet werden kann, den λ-Wert zu bestimmen. Es kann ein Modell verwendet werden, das auf dem RH der Kathodeneinlassluft und des Betrags an Wasser, das die Brennstoffzellen ausgehend von einer Stapelstromdichte erzeugen würden, basiert.
  • Wenn der λ-Wert größer als 4 in der Entscheidungsraute 44 ist, was bedeutet, dass ein signifikanter Betrag an Wasser in den Zellenmembranen vorhanden ist, dann geht der Algorithmus zu der Entscheidungsraute 46 über, um zu bestimmen, ob die Frostspülung notwendig ist. Insbesondere bestimmt der Algorithmus, ob die Umgebungstemperatur niedriger als eine gewisse sehr niedrige Temperatur ist, beispielsweise –15°C, wobei eine Frostspülungsherunterfahr-Sequenz notwendig wäre, da der Stapel 12 beim nächsten Hochlaufen des Systems wahrscheinlich gefroren wäre. Die Temperatur von –15°C stellt ein nichteinschränkendes Ausführungsbeispiel dar und ist eine kalibrierbare Temperatur, die auf verschiedenen Systemparametern und Test-Techniken für ein bestimmtes Brennstoffzellensystem basiert. Demzufolge können andere Temperaturen für andere Systeme geeigneter sein. Wie unten im Detail diskutiert werden wird, lässt der Algorithmus das Steuergerät 32 periodisch aufwachen, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung notwendig geworden ist seit dem letzten Herunterfahren des Systems, wenn eine Frostspülung bei einem Herunterfahren des Systems nicht ausgeführt wurde. Diese periodische Bestimmung, ob eine Frostspülung notwendig wird, erfordert ein Aufwärmen des Systems vor der Frostspülung, welche einen signifikanten Betrag an Wasserstoffbrennstoff erfordert, um das Aufwärmen und die darauf folgende Frostspülung auszuführen. Die Temperatur von –15°C ist als eine Optimierungstemperatur in einem nichteinschränkenden Ausführungsbeispiel ausgewählt worden, welche dazu führt, dass die Frostspülung unmittelbar ausgeführt werden würde, wenn der Stapel 12 bereits warm wäre, um den Brennstoff, der für einen Aufwärmprozess vor der Frostspülung notwendig wäre, einzusparen, wie unten diskutiert werden wird, wenn die Umgebungstemperatur niedriger als die Optimierungstemperatur ist.
  • Wenn die Umgebungstemperatur wärmer als –15°C in der Entscheidungsraute 46 ist, was bedeutet, dass ein Verfahren zum Hochlaufen bei Frost weniger wahrscheinlich wäre, geht der Algorithmus dann zu dem Kasten 48, um zu bestimmen, ob ein Verfahren zum Aufwärmen beim Herunterfahren des Stapels, um die Stapeltemperatur auf bestimmte vorbestimmte Werte zu erhöhen, beispielsweise 10°C, erforderlich ist, wie unten im Detail diskutiert werden wird. Dieser Schritt ist gewöhnlicherweise nicht erforderlich und demzufolge wird der Algorithmus über diesen Schritt hinausgehen, aber für ein schnelles Abschalten bei Kälte aber nicht bei Frost, beispielsweise bei –10°C und einer Stapeltemperatur von 5°C mit einem Durchführen von 15 eine Sekunden langen Betrieb bis zur Abschaltung, erforderlich sein.
  • Der Algorithmus bewirkt dann, dass das System 10 ein normales Herunterfahren unter Nicht-Frostbedingungen im Kasten 50 ausführt, welches keine Frostspülung beinhaltet. Der Herunterfahrprozess führt eine schnelle Herunterfahrspülung des Stapels 12 aus, beispielsweise für 2 Sekunden bei einem Spülfluss von 30 g/s, wobei die Flussrate und die Zeit von der Temperatur des Stapels 12 ausgeht und diese Nicht-Frostspülung Wasser in verschiedenen Kanälen entfernt, um einen Stapelschaden, der beispielsweise von sich ausdehnendem Wasser stammt, und das Beschädigen von Systemkomponenten verhindert. Beispielsweise wenn ein abgestelltes Fahrzeug eingefroren ist und/oder genug Wasser aus dem Stapel erhalten werden muss, um eine beschleunigte Korrosion der Stapelplatten zu verhindern.
  • Der Algorithmus bestimmt dann eine Wake-Up-Zeit Twake im Kasten 52, die bewirkt, dass das Steuergerät 32 aufwacht, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung seit dem letzten Herunterfahren unter Nicht-Frostbedingungen im Kasten 50 notwendig geworden wäre. Insbesondere wird beispielsweise eine Funktion der kalibrierbaren Temperatur Twake = f(Tamb, Tfcs) verwendet, um die nächste Aufwachzeit des Steuergeräts zu bestimmen, wobei Tfcs die Temperatur des Stapels 12 und Tamb die Umgebungstemperatur ist. Das Verfahren im Kasten 48 wird so ausgeführt, dass, wenn der Stapel nur für eine kurze Zeitdauer in Betrieb war, bei der er relativ kalt war, aber nicht weniger als –15°C in Entscheidungsraute 46, die Temperatur des Stapels 12 auf eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 10°C erhöht wird, so dass die Temperatur des Stapels 12 bei der Bestimmung der Aufwachzeit Twake, welche im Kasten 52 bestimmt wird, nicht sehr kurz ist. Sobald die Zeit Twake bestimmt wurde, geht das Steuergerät 32 im Kasten 54 in den Schlafmodus über, bis die Zeit Twake verstrichen ist. In einer Ausführungsform wird eine Look-Up-Tabelle bereitgestellt, die die Aufwachzeiten Twake für die möglichen kombinierten Werte der Umgebungstemperatur Tamb und die Temperatur Tfcs des Brennstoffzellenstapels für die Temperaturfunktion wiedergeben.
  • Wenn das Steuergerät 32 nach Verstreichen von Twake ruhig aufwacht, bestimmt der Algorithmus, ob die Funktion f(Tamb, Tfcs) für die Kombination der Umgebungstemperatur Tamb und der Temperatur Tfcs des Brennstoffzellenstapels unter einer vorbestimmten Temperatur, beispielsweise 5°C liegt, wobei in der Entscheidungsraute 56 ein Risiko für ein Einfrieren des Stapels vorliegt. Wenn die Temperaturfunktion nicht kleiner als die vorbestimmte Temperatur in der Entscheidungsraute 56 ist, dann führt der Algorithmus ein Reset der Aufwachzeit Twake basierend auf der neuen Umgebungstemperatur Tamb und einer Temperatur Tfcs des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Look-up-Tabelle im Kasten 52 durch und fährt mit dieser Schleife solange fort, bis eine Drehmomentanforderung, wie unten diskutiert wird, oder die Temperaturfunktion unter die vorbestimmte Temperatur in der Entscheidungsraute 56 gefallen ist. Der Algorithmus verwendet die Kombination der Umgebungstemperatur Tamb und der Temperatur Tfcs des Brennstoffzellenstapels aufgrund verschiedener Kombinationen dieser Temperaturen durch, die die Kontrolle zu verschiedenen Vorgängen veranlasst. Wenn beispielsweise die Temperatur Tfcs des Brennstoffzellenstapels 2°C ist, aber die Umgebungstemperatur Tamb 6°C ist, kann der Algorithmus sich nicht mit der Stapeltemperatur befassen, da die Umgebungstemperatur sich aufwärmt und die Stapeltemperatur dieser Temperatur dementsprechend folgen wird. Eine mögliche Funktion kann es immer sein, das Steuergerät 32 zurück in den Schlafmodus mit einer neu berechneten Aufwachzeit zu überführen, wenn die Umgebungstemperatur Tamb größer als die Temperatur Tfcs des Brennstoffzellenstapels ist.
  • Wenn die Temperaturfunktion unterhalb der vorbestimmten Temperatur in der Entscheidungsraute 56 ist, was anzeigt, dass eine mögliche Frostbedingung vorliegt, dann initiiert der Algorithmus einen Autostart des Systems 10 im Kasten 58, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 zu erhöhen. Der Autostart ist eine minimale Operation des Brennstoffzellenstapels 12, wobei verschiedene Hilfsquellen, beispielsweise die Beleuchtung, Scheibenwischer, Radio, Klimaanlage etc. ausgeschaltet bleiben. Nach dem Autostart wird das System 10 im Kasten 60 im Vorgriff auf die Frostspülung und die darauf folgende Abschaltung im Kasten 62 aufgewärmt. Das Verfahren zum Aufwärmen kann bei jeder geeigneten Stapelstromdichte mit jeder geeigneten Temperatur durchgeführt werden. In einem nichteinschränkenden Ausführungsbeispiel wird der Kompressor 20 bei 30 kW betrieben, 12% Wasserstoffgas wird an die Kathode abgegeben, und das Aufwärmen auf eine Stapeltemperatur von 70°C wird ausgeführt und bei dieser Temperatur für 30 Sekunden gehalten, wobei 30 Sekunden eine nichteinschränkende kalibrierbare Zeit darstellen, die auf Test-Ergebnissen und Experimenten basiert. Das Verfahren zum Aufwärmen wird für die kalibrierte Zeitdauer eingehalten, so dass alle Systemkomponenten, zu denen die Endzellen und andere Komponenten gehören, beispielsweise Ventile und Schläuche, die gewünschte Temperatur erreicht haben, im vorliegenden Fall 70°C. Die Frostspülung wird dann im Kasten 62 ausgeführt und das Steuergerät 32 geht in den Schlafmodus im Kasten 64 über, ohne weitere Aufwachbedenken, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung notwendig ist.
  • Wenn der Algorithmus bestimmt, dass die Umgebungstemperatur Tamb unterhalb der kalibrierten Temperatur –15°C in der Entscheidungsraute 46 ist, geht der Algorithmus direkt zu dem Aufwärmverfahren beim Herunterfahren im Kasten 60 in Vorbereitung für die Frostspülung im Kasten 62 über. Wie oben diskutiert, ist dann der Stapel 12 beim nächsten Systemhochlauf beinahe sicher eingefroren, was ein Verfahren zum Aufwärmen im Kasten 60 erfordern würde, wenn das normale Abschalten im Kasten 50 ausgeführt wurde, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der kalibrierten Temperatur in der Entscheidungsraute 46 ist. Da der Stapel 12 wahrscheinlich ungefähr bei einer Temperatur von 70°C liegt, welche für das Aufwärmen im Kasten 60 erforderlich ist, wenn er abgeschaltet wird, geht der Algorithmus direkt zu dem Kasten 60, um in dem Kasten 62 in dieser Situation das Herunterfahren bei Frost durchzuführen.
  • Wenn der λ-Wert kleiner als vier in der Entscheidungsraute 44 ist, bestimmt der Algorithmus dann, ob das letzte Herunterfahren des Systems ein Herunterfahren bei Frost in der Entscheidungsraute 66 war, und wenn dies nicht der Fall war, geht der Algorithmus direkt zu dem Kasten 52 über, um die nächste Aufwachzeit für das Steuergerät 32 zu bestimmen, um zu bestimmen, ob ein Autostart im Kasten 58 notwendig ist. Wenn das letzte Herunterfahren ein Herunterfahren bei Frost in der Entscheidungsraute 66 war, geht der Algorithmus direkt zu dem Kasten 64 bis zu einer Anfrage nach einem Drehmoment über.
  • Die Herunterfahr-Sequenz und das Abschalten, das oben diskutiert wurde, kann jederzeit durch eine Drehmomentnachfrage für eine Hochlaufsequenz eines Fahrzeugs unterbrochen werden. Die vorliegende Erfindung erkennt dies und erlaubt der Herunterfahr-Sequenz zu jeder Zeit unterbrochen zu werden, um auf eine Drehmomentanfrage zu antworten. Insbesondere wird der Algorithmus in den Kästen 48, 50, 54, 60, 62 und 64 den Schritt des Herunterfahrens abbrechen, wenn eine Drehmomentanfrage im Kasten 68 empfangen wird, und zu einer gewöhnlichen Hochfahr-Sequenz im Kasten 70 übergehen.
  • Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
  • Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims (10)

  1. Ein Verfahren zum Bestimmen, ob und wann, eine Frostspülung der Flusskanäle in einem Brennstoffzellenstapel auf einem Fahrzeug ausgeführt werden muss, wobei das Verfahren umfasst: – Identifizieren, dass das Fahrzeug abgeschaltet ist; – Bestimmen, ob ein Befeuchtungswert einer Stapelmembran kleiner als ein vorbestimmter Befeuchtungswert ist, der die Befeuchtung der Membranen in den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel identifiziert; – Bestimmen, ob eine Umgebungstemperatur kleiner als eine vorbestimmte Umgebungstemperatur ist, wenn der Befeuchtungswert der Membranen nicht kleiner als der vorbestimmte Befeuchtungswert ist; – Ausführen einer kurzen Nicht-Frostspülung der Flusskanäle in dem Brennstoffzellenstapel, wenn die Umgebungstemperatur nicht kleiner als die vorbestimmte Umgebungstemperatur ist; – Bestimmen einer Aufwachzeit für ein Systemsteuergerät basierend auf einer Aufwachzeit für eine nächste Zeit, um zu bestimmen, ob eine Frostspülung ausgeführt werden sollte; – Bewirken, dass das Steuergerät in einen Schlafmodus für die Aufwachzeit geht, nachdem die Aufwachzeit bestimmt worden ist; – Bestimmen, ob die Aufwachtemperatur kleiner als eine vorbestimmte Frostspülungstemperatur ist, wenn das Steuergerät, nachdem dieses in den Schlafmodus überführt wurde und die Aufwachzeit verstrichen ist, aufwacht; – Bestimmen einer neuen Aufwachzeit für das Systemsteuergerät, basierend auf der Aufwachtemperatur, wenn die Frostspülungstemperatur nicht kleiner als die Aufwachtemperatur ist; – Erwirken eines Fahrzeugautostarts, wenn die Frostspülungstemperatur kleiner als die Aufwachtemperatur ist; – Durchführen eines Verfahrens zum Aufwärmen des Stapels nach dem Fahrzeugautostart, um die Temperatur des Stapels auf eine vorbestimmte Stapeltemperatur zu erhöhen; und – Durchführen der Frostspülung, nachdem der Brennstoffzellenstapel auf die vorbestimmte Stapeltemperatur erhöht wurde.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das direkte Übergehen zum Ausführen des Verfahrens zum Aufwärmen des Stapels, um die Frostspülung auszuführen, wenn die Umgebungstemperatur kleiner als die vorbestimmte Umgebungstemperatur ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Bestimmen, ob ein letztes Herunterfahren des Fahrzeuges eine Frostspülung beinhaltete, wenn der Membranbefeuchtungswert kleiner als der vorbestimmte Befeuchtungswert ist, und wenn dies nicht der Fall ist, Übergehen zu dem Schritt des Bestimmens der Aufwachtemperatur, und wenn dies der Fall ist, Bewirken, dass das Steuergerät in den Schlafmodus übergeht.
  4. Verfahren Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Ausführen eines Verfahrens zum Aufwärmen des Stapels, wenn die Umgebungstemperatur nicht unterhalb der vorbestimmten Umgebungstemperatur ist, bevor die kurze Nicht-Frostspülung ausgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ausführen des Verfahrens zum Aufwärmen des Stapels das Halten des Stapels bei der vorbestimmten Stapeltemperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer beinhaltet, so dass Systemelemente, die nicht zum Brennstoffzellenstapel gehören, auf die vorbestimmte Stapeltemperatur steigen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufwachtemperatur auf der Umgebungstemperatur und einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels basiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Befeuchtungswert ein Verhältnis von Wassermolekülen zu Sulfonsäuremolekülen in den Brennstoffzellenmembranen ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Umgebungstemperatur ungefähr –15°C ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aufwachtemperatur ungefähr 5°C ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend, das Unterbrechen und Stoppen jeder Schritte in dem Bestimmungsverfahren für die Frostspülung, wenn eine Fahrzeugdrehmomentanforderung empfangen wird.
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