DE102014210351A1

DE102014210351A1 - Brennstoffzellenstapel und entsprechendes steuerverfahren

Info

Publication number: DE102014210351A1
Application number: DE102014210351.7A
Authority: DE
Inventors: Jae Won Jung
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-06-02
Publication date: 2015-06-03
Also published as: US9831513B2; CN104681845A; US20150155577A1; KR20150062526A; KR101567644B1; CN104681845B

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der eingerichtet ist, um eine Kathode und eine Anode zu umfassen, eine Luftzufuhrvorrichtung, die eingerichtet ist, um Luft an die Kathode zuzuführen, und ein Lufteinlassrohr, das eingerichtet ist, um einen Auslass der Luftzufuhrvorrichtung und einen Einlass der Kathode miteinander zu verbinden, und das ein dazu vorgesehenes Ventil mit einer einstellbaren Öffnung aufweist. Eine Steuerung ist eingerichtet, um ein Öffnen des Ventils gemäß einer zugeführten Luftmenge einzustellen, um einen an die Kathode zugeführten Luftdurchsatz zu steuern/regeln. Dadurch wird verhindert, dass der Brennstoffzellenstapel austrocknet, und die Haltbarkeit einer Brennstoffzelle wird verbessert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und ein entsprechendes Verfahren und insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, mit dem die Haltbarkeit einer Brennstoffzelle verbessert werden kann, und ein entsprechendes Verfahren.
HINTERGRUND
Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Vielzahl von als eine Energiequelle verwendeten Brennstoffzellen gestapelt ist, und eine Brennstoffzufuhrvorrichtung, die Wasserstoff oder dergleichen, das einen Brennstoff darstellt, an den Brennstoffzellenstapel zuführt. Eine Luftzufuhrvorrichtung führt Sauerstoff, der ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel darstellt, zu. Eine Wasser- und Wärme-Managementvorrichtung steuert/regelt eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels.
Die Brennstoffzufuhrvorrichtung setzt den Druck des komprimierten Wasserstoffs in einem Wasserstofftank herab und führt ihn an eine Anode des Stapels zu und die Luftzufuhrvorrichtung führt durch Antreiben eines Gebläses eingebrachte Außenluft an eine Kathode des Stapels zu.
Wenn Wasserstoff an die Anode zugeführt wird und Sauerstoff an die Kathode zugeführt wird, werden Wasserstoffionen von der Anode durch eine Katalysatorreaktion getrennt. Die getrennten Wasserstoffionen werden an die Kathode, die eine Luftelektrode darstellt, durch eine Elektrolytmembran übertragen. Die von der Anode getrennten Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff gehen zusammen an der Kathode eine Reaktion ein, wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Insbesondere wird eine elektrochemische Oxidation von Wasserstoff von der Anode erzeugt und eine elektrochemische Reduktion wird von der Kathode erzeugt. Aufgrund der Bewegung von Elektronen, die in diesem Fall erzeugt werden, werden elektrischer Strom und Wärme erzeugt, und aufgrund des chemischen Vorganges, in dem Wasserstoff und Sauerstoff eine Verbindung eingehen, wird Dampf oder Wasser erzeugt.
Eine Abführvorrichtung ist zum Abführen von Nebenprodukten, wie beispielsweise Dampf, Wasser und Wärme, die während eines Prozesses zum Erzeugen der elektrischen Energie des Brennstoffzellenstapels erzeugt werden, und nicht umgesetzten Wasserstoff, Sauerstoff und dergleichen vorgesehen, und Gase, wie beispielsweise Dampf, Wasserstoff und Sauerstoff werden an die Atmosphäre durch einen Auslasskanal abgeführt.
Ein Gebläse, ein Wasserstoff-Rückführungsgebläse, eine Wasserpumpe und dergleichen zum Betreiben der Brennstoffzelle sind mit einem Hauptbusanschluss verbunden, um einen Start der Brennstoffzelle zu ermöglichen. Der Hauptbusanschluss kann mit verschiedenen Relais, die eine Trennung und Verbindung des Stromes ermöglichen, und einer Diode, die einen Fluss eines Rückwärtsstromes in die Brennstoffzelle verhindert, verbunden werden.
Trockene Luft, die durch das Gebläse zugeführt wird, wird durch eine Befeuchtungsvorrichtung befeuchtet und dann an die Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt. Ein Abgas der Kathode kann an die Befeuchtungsvorrichtung in einem befeuchteten Zustand durch eine darin erzeugte Wasserkomponente übertragen werden, um die trockene Luft, die an die Kathode zugeführt werden soll, zu befeuchten.
Zum Zeitpunkt eines Aussetzens oder einer Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs tritt ein Antriebsmotor in einen Niedriglast-/Leerlauf-Zustand oder einen Nutzbremszustand ein, wodurch ein geringer Antriebsstrom oder kein Antriebsstrom genutzt werden. Aufgrund einer langsamen Ansprechgeschwindigkeit des Gebläses befindet sich der Antriebsmotor in einem vorübergehend unendlichen Luftladezustand, so dass der Brennstoffzellenstapel austrocknen kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung stellt ein Brennstoffzellensystem, mit dem an einen Brennstoffzellenstapel zum Zeitpunkt eines Stopps einer Brennstoffzellen-Stromerzeugung zugeführte Luft einstellbar ist, und ein entsprechendes Steuerverfahren bereit.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathode und einer Anode. Eine Luftzufuhrvorrichtung führt Luft an die Kathode zu. Ein Lufteinlassrohr verbindet einen Auslass der Luftzufuhrvorrichtung und einen Einlass der Kathode miteinander und weist ein dazu vorgesehenes Ventil mit einer einstellbaren Öffnung auf. Eine Steuerung stellt ein Öffnen des Ventils gemäß einer zugeführten Luftmenge ein, um dadurch einen Durchsatz der an die Kathode zugeführten Luft zu steuern/regeln.
Die Steuerung kann das Öffnen des Ventils gemäß einem Verhältnis eines durch den Brennstoffzellenstapel erforderlichen Soll-Luftdurchsatzes und eines momentan an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftdurchsatzes einstellen.
Die Steuerung kann das Öffnen des Ventils einstellen, um dadurch den Durchsatz der zugeführten Luft in dem Fall zu steuern/regeln, in dem ein Pegel des Betriebssignals und ein Pegel eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stromes niedriger als ein voreingestellter Wert sind und ein Fehler zwischen einem Drehzahl-Befehlswert für die Luftzufuhrvorrichtung und einer Ist-Drehzahl entsprechend dem Befehlswert größer als ein voreingestellter Fehler ist.
Das Ventil kann eine Mehrzahl von Armen umfassen, die sich auf Basis einer Welle drehen, und die Steuereinheit kann die Welle drehen, um dadurch das Öffnen des Ventils durch die Mehrzahl von Armen einzustellen.
Die Steuerung kann einen durch die Mehrzahl von Armen gebildeten Winkel und einen Durchdringungsquerschnitt des Lufteinlassrohrs einstellen, um dadurch eine Querschnittsfläche einzustellen, in der die zugeführte Luft in dem Rohr strömt, und die Querschnittsfläche kann proportional zu einem Durchsatz der an die Kathode zugeführten Luft sein.
Der Winkel kann
sein, wobei m_air ein Durchsatz der Luft sein kann, (Δm_air/Δt)_target ein durch den Brennstoffzellenstapel erforderlicher Soll-Luftdurchsatz sein kann und (Δm_air/Δt)_sensor Durchsatz der momentan an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft sein kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Steuerverfahren ein Empfangen eines Betriebssignals eines Gaspedals und ein Einstellen eines Öffnens eines Ventils auf der Grundlage des empfangenen Betriebssignals, wobei das Ventil in einem Rohr vorgesehen ist, das mit einem Lufteinlass eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist.
Der Schritt zum Einstellen kann das Öffnen des Ventils gemäß einem Verhältnis eines für den Brennstoffzellenstapel erforderlichen Soll-Luftdurchsatzes gemäß dem empfangenen Betriebssignal und eines Durchsatzes der momentan an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft einstellen.
Das Verfahren kann ferner ein Erfassen eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stromes umfassen, wobei der Schritt zum Einstellen in dem Fall durchgeführt werden kann, in dem ein Ausgangsstromwert kleiner als ein voreingestellter Wert ist, und ein Fehler zwischen einem Drehzahl-Befehlswert für eine Luftzufuhrvorrichtung, die eingerichtet ist, um Luft an den Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und eine Ist-Drehzahl entsprechend dem Befehlswert größer als ein voreingestellter Fehler ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Stromnetzanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar.
2 beschreibt Graphen eines Überladens mit Luft gemäß einer Wiederholung eines Einsetzens und Aussetzens.
3 zeigt einen Graph, der eine Auslenkung einer Strom-Spannungskurve und eine Verminderung der Ausgangsleistung, die durch ein Austrocknen eines Brennstoffzellenstapels verursacht wird, darstellt.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Lufteinlassrohrs mit einem Ventil mit einer einstellbaren Öffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt Graphen eines Gaspedal-Sensorsignals und eines Ventilwinkels und eines Luftdurchsatzes in einem Lufteinlassrohr gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Spezifische Beschreibungen der Anordnung und Funktion der hierin beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht dahingehend auszulegen, dass sie die Offenbarung beschränken.
Da die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise modifiziert werden kann und mehrere Ausführungsbeispiele aufweist, werden bestimmte Ausführungsbeispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und ausführlich beschrieben. Jedoch ist es so zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern alle Modifikationen, Äquivalente und Ersetzungen beinhaltet, die in der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung umfasst sind.
Begriffe wie ”erste/erster/erstes”, ”zweite/zweiter/zweites”, etc. können verwendet werden, um verschiedene Komponenten zu beschreiben, aber die Komponenten sind nicht dahingehend auszulegen, dass sie auf die Begriffe beschränkt sind. Die Begriffe werden nur verwendet, um eine Komponente von der anderen Komponente zu unterscheiden. Zum Beispiel kann die ”erste” Komponente als die ”zweite” Komponente bezeichnet/benannt werden und in ähnlicher Weise kann die ”zweite” Komponente auch als die ”erste” Komponente bezeichnet/benannt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Es soll verstanden werden, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”verbunden” oder ”gekoppelt” ist, es mit einem weiteren Element direkt verbunden oder gekoppelt sein kann oder mit einem weiteren Element derart verbunden oder gekoppelt sein kann, so dass das andere Element dazwischenliegend angeordnet ist. Andererseits soll verstanden werden, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”direkt verbunden” oder ”direkt gekoppelt” ist, es mit einem weiteren Element verbunden oder gekoppelt sein kann, ohne dass das andere Element dazwischenliegend angeordnet ist. Andere Ausdrücke, die die Beziehung zwischen Elementen erläutern, wie beispielsweise ”zwischen”, ”direkt zwischen”, ”benachbart/neben” oder ”direkt benachbart/neben” und dergleichen sollten in der gleichen Art und Weise ausgelegt werden.
Die in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Begriffe werden lediglich zur Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und nicht als Einschränkung der vorliegenden Beschreibung verwendet. Die hierin verwendeten Singularformen sind dazu vorgesehen, dass sie die Pluralformen umfassen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Es versteht sich ferner, dass die in dieser Beschreibung verwendeten Ausdrücke ”umfassen/umfasst” oder ”aufweisen/aufweist” die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Schritte, Operationen, Komponenten, Teile oder einer Kombination davon beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Komponenten, Teilen oder einer Kombination davon ausschließen.
Sofern nicht anders angeben, versteht es sich, dass alle in der Beschreibung verwendeten Begriffe einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe dieselbe Bedeutung wie diejenigen haben, die von einem Durchschnittsfachmann verstanden werden. Es muss verstanden werden, dass die durch das Wörterbuch festgelegten Ausdrücke/Begriffe mit der Bedeutung im Rahmen des Standes der Technik identisch sind, und dass sie nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne ausgelegt werden sollten, sofern aus dem Zusammenhang nicht etwas anderes hervorgeht.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten.
1 stellt eine Stromnetzanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar.
Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Brennstoffzellensystem 100 umfassen eine Brennstoffzelle 10, die eine Hauptenergiequelle darstellt, und eine Hochspannungsbatterie (Hauptbatterie) 20, die eine Hilfsenergiequelle darstellt, die durch einen Hauptbusanschluss 11 zueinander parallel geschaltet sind. Ein bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler (bidirectional high voltage DC/DC converter – BHDC) 21 ist mit der Hochspannungsbatterie 20 verbunden, um eine Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 zu steuern/regeln, und ein Wechselrichter (Inverter) 31 ist mit der Brennstoffzelle 10 und dem Hauptbusanschluss 11, der eine Ausgangsseite der Hochspannungsbatterie 20 darstellt, verbunden. Ein Antriebsmotor 32 ist mit dem Wechselrichter 31, elektronischen Hochspannungslasten 33 und einer Niederspannungsbatterie (Hilfsbatterie) 40 verbunden. Eine elektronische Niederspannungslast 41 in einem Fahrzeug, mit Ausnahme des Wechselrichters 31 und des Antriebsmotors 32, und einer Niederspannungs-DC/DC-Wandler (low voltage DC/DC converter – LDC) 42 sind zwischen der Niederspannungsbatterie 40 und dem Hauptbusanschluss 11 angeschlossen, um dadurch eine Hochspannung in eine Niederspannung umzuwandeln.
Die Brennstoffzelle 10, die die Hauptenergiequelle des Fahrzeugs darstellt, und die Hochspannungsbatterie 20, die als Hilfsenergiequelle verwendet wird, sind mit den jeweiligen Lasten in dem System, wie beispielsweise Wechselrichter 31 und Antriebsmotor 32, durch den Hauptbusanschluss 11 parallel geschaltet. Der mit dem Hochspannungsbatterieanschluss verbundene bidirektionale Hochspannungs-DC/DC-Wandler 21 ist mit dem Hauptbusanschluss 11 verbunden, der die Ausgangsseite der Brennstoffzelle 10 darstellt, so dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 und die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 durch eine Steuerung/Regelung einer Spannung (eine Ausgangsspannung an dem Hauptbusanschluss) des bidirektionalen Hochspannungs-DC/DC-Wandlers 21 gesteuert/geregelt werden kann.
Der Brennstoffzellenanschluss ist mit einer Diode 13 zum Verhindern eines Rückwärtsstromflusses und einem Relais 14 zum wahlweisen Verbinden der Brennstoffzelle 10 mit dem Hauptbusanschluss 11 montiert. Das Relais 14 hält einen verbundenen Zustand während einer Fahrt des Fahrzeugs, wobei die Brennstoffzelle 10 betrieben wird, sowie in einem Leerlauf- und Neustart-Zustand des Brennstoffzellensystems bei und wird nur zum Zeitpunkt eines Schlüssel-Aus (eine normale Abschaltung gemäß einem Schlüssel-Aus) oder einer Notabschaltung des Fahrzeugs unterbrochen.
Darüber hinaus ist der Wechselrichter 31 zum Drehen des Antriebsmotors 32 mit der Brennstoffzelle 10 und der Ausgangsseite der Hochspannungsbatterie 20 durch den Hauptbusanschluss 11 verbunden, um die von der Brennstoffzelle 10 und/oder der Hochspannungsbatterie 20 zugeführte Leistung umzuwandeln, wodurch der Antriebsmotor 32 angetrieben wird.
Der Antriebsmotor 32 wird in einem Brennstoffzellenmodus ausschließlich unter Verwendung der Ausgangsleistung (Strom) der Brennstoffzelle 10, einem EV-Modus ausschließlich unter Verwendung der Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 und einem Hybrid-(HEV)Modus, in dem die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 durch die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 unterstützt wird, angetrieben.
Insbesondere in dem Fall, in dem eine vorgegebene Leerlaufbedingung in dem Brennstoffzellensystem erfüllt ist, eine Leerlaufregelung eine Luftzufuhr stoppt, um ein Erzeugen von Strom von der Brennstoffzelle 10 zu stoppen, und bis die Brennstoffzelle 10 neu startet, um dadurch den Antriebsmotor 32 bei einer normalen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 anzutreiben, wird eine Ansteuerung des EV-Modus ausschließlich unter Verwendung der Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 durchgeführt.
In dem oben beschriebenen EV-Modus-Antriebszustand wird die Spannung der Hochspannungsbatterie 20 durch eine Verstärkungsregelung des mit dem Hochspannungsbatterieanschluss verbundenen bidirektionalen Hochspannungs-DC/DC-Wandlers 21 in einem Zustand, in dem das Relais 14 eingeschaltet ist und einem Zustand, in dem die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 10 gestoppt ist (die Luftzufuhr ist gestoppt), erhöht, so dass die Lasten in dem Fahrzeug wie Wechselrichter 31, Antriebsmotor 32 und dergleichen, ausschließlich durch die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 betrieben werden.
Darüber hinaus wird die Luftzufuhr zum Zeitpunkt des Leerlaufs des Brennstoffzellensystems wie oben beschrieben gestoppt und wird dann in dem Fall, in dem die Neustartbedingung erfüllt ist, fortgesetzt, um dadurch die Brennstoffzelle neu zu starten. Nach dem Neustart, wenn das Brennstoffzellensystem zu dem normalen Antriebsmodus zurückkehrt, wird die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 wieder gemäß einer Fahrzeuglast in einem Zustand, in dem die Luft auf normale Weise zugeführt wird und ein Verstärkungszustand des bidirektionalen Hochspannungs-DC/DC-Wandlers 21 freigegeben wird, folgegeregelt (Lastfolgeregelung).
2 zeigt einen Graph, der ein Überladen mit Luft gemäß einer Wiederholung eines Einsetzens und Aussetzens beschreibt. Wenn ein Gaspedal im Laufe der Zeit nach unten gedrückt wird, wird ein Gaspedal-Betriebssignal von einem Gaspedalsensor erfasst, so dass der von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Strom abgegeben wird.
Luft wird von der Luftzufuhrvorrichtung zugeführt, um elektrischen Strom von dem Brennstoffzellenstapel zu erzeugen, und eine zugeführte Menge an Luft wird gemäß einer Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung gesteuert/geregelt. Wenn eine Motorsteuerung der Luftzufuhrvorrichtung einen Drehzahlbefehl für die Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung an die Luftzufuhrvorrichtung gemäß dem Signal von dem Gaspedalsensor überträgt, wird die Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung gemäß dem Drehzahlbefehl eingestellt/angepasst. Jedoch wird ein Fehler zwischen dem Drehzahlbefehl und der Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung erzeugt. Da der Drehzahlbefehl auf der Grundlage eines Soll-Durchsatzes eingestellt wird, wenn der Fehler zwischen einer Ist-Drehzahl und einem Drehzahl-Befehlswert erzeugt wird, wird ein höherer Durchsatz als der Soll-Durchsatz zu einer Kathode des Brennstoffzellenstapels geladen, so dass dadurch ein Austrocknen an dem Brennstoffzellenstapel verursacht wird.
3 zeigt einen Graph, der eine Auslenkung einer Strom-Spannungs-(I–V)Kurve und eine Verminderung der Ausgangsleistung, die durch ein Austrocknen eines Brennstoffzellenstapels verursacht wird, darstellt.
Eine horizontale Achse stellt einen Strom des Brennstoffzellenstapels dar und eine vertikale Achse stellt eine Spannung des Brennstoffzellenstapels dar. Es kann aus dem Diagram entnommen werden, dass in dem Fall, in dem das Antippen (Tip-In) und Loslassen (Tip-Out) 30-mal für 200 Sekunden wiederholt getestet wird, ein gemäß einer Zunahme des Stromes verringerter Pegel der Spannung größer ist. Das heißt, in dem Fall, in dem das Antippen und Loslassen wiederholt werden, wie dies in 2 dargestellt ist, immer wenn das Signal für die durch den Gaspedalsensor erfasste Gaspedalbetätigung erfasst wird, wird ein Überladen mit Luft in den Brennstoffzellenstapel erzeugt. Daher versteht es sich, dass der Brennstoffzellenstapel trocken wird, so dass die Spannung verglichen mit einem normalen Fall schneller sinkt als der Strom zunimmt.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 5 zeigt eine vergrößerte konzeptionelle Ansicht eines Lufteinlassrohrs mit einem Ventil mit einer einstellbaren Öffnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Bezugnehmend auf 4 und 5 kann das Brennstoffzellensystem 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung einen Brennstoffzellenstapel 410, ein Ventil 420, ein Lufteinlassrohr 430, eine Luftzufuhrvorrichtung 440, einen Gaspedalsensor (APS) 450, ein Gaspedal 455, einen Stromsensor 460 und eine Steuerung 470 umfassen.
Der Brennstoffzellenstapel 410 umfasst eine Kathode und eine Anode und die Luftzufuhrvorrichtung 440 kann Luft an eine Kathodenseite durch das Lufteinlassrohr 430 zuführen. Das Lufteinlassrohr des Brennstoffzellenstapels 410, das die Luftzufuhrvorrichtung 440 und die Kathode miteinander verbindet, kann ein Ventil 420 mit einer einstellbaren Öffnung umfassen.
Das Ventil 420, das in dem Lufteinlassrohr 430 vorgesehen ist, das die Luftzufuhrvorrichtung 440 und einen Lufteinlass des Brennstoffzellenstapels 410 verbindet, kann ein Drosselventil sein und kann eine Mehrzahl von Armen 520 umfassen, die sich auf Basis einer Drehwelle drehen.
Die Steuerung 470 kann ein Öffnen des Ventils 420 gemäß einem Verhältnis eines durch den Brennstoffzellenstapel 410 erforderlichen Soll-Luftdurchsatzes und eines an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführten Luftdurchsatzes einstellen/anpassen.
Darüber hinaus kann in dem Fall, in dem ein Pegel eines Gaspedal-Betriebssignals (APS-Signal) und ein Pegel des von dem Brennstoffzellenstapel 410 abgegebenen Stromes niedriger als ein voreingestellter Wert sind und der Fehler zwischen dem Drehzahl-Befehlswert für die Luftzufuhrvorrichtung 440 und die Ist-Drehzahl entsprechend dem Befehlswert größer als ein voreingestellter Wert ist, die Steuerung 470 das Öffnen des Ventils 420 einstellen, um dadurch einen Durchsatz der an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführten Luft zu steuern/regeln.
In diesem Fall kann die Steuerung 470 die Drehwelle des Ventils 420 drehen, um das Öffnen des Ventils 420 durch die Mehrzahl von Armen 520 einzustellen.
Insbesondere kann die Steuerung einen Winkel θ, der durch die Mehrzahl von Armen 520 und einem Durchdringungsquerschnitt des Lufteinlassrohrs 430 gebildet wird, einstellen, um dadurch eine Querschnittsfläche, in der die von einem inneren Abschnitt des Rohrs 430 zugeführte Luft strömen kann, einzustellen, wobei die Querschnittsfläche proportional zu dem Durchsatz der an die Kathode zugeführten Luft sein kann.
Wenn die Mehrzahl von Armen 520 auf der Basis der Drehwelle 510 gedreht wird, beträgt ein Winkel θ, der durch den Arm 520 und den Querschnitt, der das Lufteinlassrohr 430 durchdringt, gebildet wird
wobei m_air einen Durchsatz der Luft darstellt, (Δm_air/Δt)_target einen durch den Brennstoffzellenstapel 410 erforderlichen Soll-Luftdurchsatz darstellt und (Δm_air/Δt)_sensor einen Durchsatz der momentan an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführten Luft darstellt.
Eine Querschnittsfläche A (θ), in der die Luft strömen kann, die den durch den Arm 520 und den Durchdringungsquerschnitt des Lufteinlassrohrs 430 gebildeten Winkel als eine variable aufweist, kann als πR²(1 – cosθ) dargestellt werden, wobei R eine Länge des Arms 520 auf der Basis der Drehwelle ist. Da der Arm 520 auf der Basis der Drehwelle gedreht wird, kann R als ein Drehradius des Arms 520 oder ein Radius des Lufteinlassrohrs 430 dargestellt werden.
Das heißt, der Durchsatz der durch das Ventil 420 strömender und an die Lufteinlassseite des Brennstoffzellenstapels 410 zugeführter Luft ist proportional zu der Querschnittsfläche, in der die Luft strömen kann. Als ein Beispiel, in dem Fall, in dem θ 90° beträgt, beträgt cosθ1, was bedeutet, dass der das Ventil 420 bildende Arm 520 die durch das Lufteinlassrohr 430 strömende Luft nicht blockiert. Falls θ 0° beträgt, dann blockiert der Arm 520 die Luftströmung des Lufteinlassrohrs 430. In diesem Fall kann die Querschnittsfläche, in der die Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 410 strömen kann, 0 werden.
6 zeigt einen Graph, der ein Gaspedal-Sensorsignal und einen Ventilwinkel und einen Durchsatz von Luft in einem Lufteinlassrohr gemäß einem Brennstoffzellensystem und einem entsprechenden Steuerverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Bezugnehmend auf 4 bis 6 sind die Betrage, die durch nach unten Drücken und Loslassen des Gaspedals 455 durch das Antippen und Loslassen verschieden und werden durch den Gaspedalsensor 450 erfasst, so dass das Gaspedal-Betriebssignal erzeugt wird. Wenn der gedrückte Betrag des Gaspedals groß ist, wird der Winkel beibehalten, um an 90° anzugrenzen. Wenn der gedrückte Betrag des Gaspedals kleiner als ein voreingestellter Wert ist, weist die Steuerung 470 den Wert an, um zu veranlassen, dass der Winkel davon etwa 40° beträgt, so dass der Winkel entsprechend eingestellt wird. Wenn das Gaspedal-Betriebssignal nicht erfasst wird, muss die an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführte Luft blockiert werden und die Steuerung 470 stellt diese blockierte Luft als einen Soll-Durchsatz ein, um dadurch den Durchsatz zu steuern/regeln. Zum Zeitpunkt der Steuerung gemäß dem Stand der Technik, in dem Fall, in dem das Gaspedal-Betriebssignal nicht erfasst wird, selbst wenn der Soll-Durchsatz schnell verringert wird, folgt der Stand der Technik nicht dem verringerten Soll-Durchsatz, so dass die Luft tatsächlich in den Brennstoffzellenstapel 410 geladen wurde. Daher kann der Brennstoffzellenstapel 410 ausgetrocknet werden. Jedoch kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung erkannt werden, dass der an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführte Luftdurchsatz dem Soll-Luftdurchsatz durch Steuern/Regeln eines Winkels des Drosselventils 420 unter Verwendung des Verhältnisses des Soll-Luftdurchsatzes und des Ist-Luftdurchsatzes annähernd folgt. In dem Fall, in dem der Luftdurchsatz den Soll-Luftdurchsatz erreicht, kehrt die Steuerung 470 das Drosselventil 420 zu einem ursprünglichen Zustand zurück, um einen Stromerzeugungs-Vorbereitungszustand beizubehalten, um so das Gaspedal-Betriebssignal zu empfangen.
7 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Unter Bezugnahme auf 4, 5 und 7, wenn der APS 450 eine Betätigung des Gaspedals 455 erfasst, empfängt die Steuerung 470 ein Betriebssignal des Gaspedal 455 von dem APS 450 und bestimmt, ob ein Pegel des empfangenen Betriebssignals kleiner als ein voreingestellter Wert ist (S701). In dem Fall, in dem der Pegel des Betriebssignals des Gaspedals 455 kleiner als der voreingestellte Wert ist, bestimmt die Steuerung 470 wieder, ob der von dem Brennstoffzellenstapel 410 abgegebene Strom kleiner als der voreingestellte Wert ist (S703). In dem Fall, in dem der Pegel des Betriebssignals des Gaspedals 455 größer als der voreingestellte Wert ist, da Luft kontinuierlich an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführt werden muss, bestimmt die Steuerung 470, ob der Pegel des kontinuierlich empfangenen Betriebssignals kleiner als der voreingestellte Wert ist.
In dem Fall, in dem der Stromsensor 460 den von dem Brennstoffzellenstapel 410 abgegebenen Strom erfasst, bestimmt die Steuerung 470 unter Verwendung des erfassten Ausgangsstromes, ob der erfasste Ausgangsstrom kleiner als der voreingestellte Wert ist (S703). In dem Fall, in dem der von dem Brennstoffzellenstapel 410 abgegebene Strom kleiner als der voreingestellte Wert ist, bestimmt die Steuerung 470, ob eine Differenz zwischen einer Drehzahl gemäß einem Drehzahlbefehl der Luftzufuhrvorrichtung 440 und einer Ist-Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung 440 größer als ein voreingestellter Fehler ist (S705). In dem Fall, in dem der von dem Brennstoffzellenstapel 410 abgegebene Strom kleiner als der voreingestellte Wert ist, muss die Luftzufuhr blockiert werden. Da ein Laststrom kleiner als der voreingestellte Wert ist, stoppt der Brennstoffzellenstapel 410 ein Erzeugen des elektrischen Stromes. In dem Fall, in dem der von dem Brennstoffzellenstapel 410 abgegebene Strom größer als der voreingestellte Wert ist, da der durch den Brennstoffzellenstapel 410 abzugebende Strom erforderlich ist, wird die Luftzufuhr beibehalten und es wird bestimmt, ob der von dem Brennstoffzellenstapel 410 kontinuierlich abgegebene Strom kleiner als der voreingestellte Wert ist.
In dem Fall, in dem die Differenz zwischen der Drehzahl gemäß dem Drehzahlbefehl der Luftzufuhrvorrichtung 440 und der Ist-Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung 440 größer als der voreingestellte Fehler ist, kann die Steuerung 470 ein Öffnen des Ventils 420 gemäß einem Verhältnis eines durch den Brennstoffzellenstapel 410 erforderlichen Luftdurchsatzes und eines Luftdurchsatzes, der an den Brennstoffzellenstapel 410 von der Luftzufuhrvorrichtung 440 zugeführt wird, einstellen/anpassen. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, wird der Drehzahlbefehl der Luftzufuhrvorrichtung von einer Motorsteuerung der Luftzufuhrvorrichtung an die Luftzufuhrvorrichtung speziell übertragen, um die Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung zu steuern/regeln. Darüber hinaus kann der an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführte Luftdurchsatz durch den Drehzahlbefehl der Luftzufuhrvorrichtung wie oben beschrieben eingestellt werden. Jedoch muss in dem Fall, in dem eine große Differenz zwischen der Ist-Drehzahl der Luftzufuhrvorrichtung 440 und dem Befehl vorhanden ist, die Differenz eingestellt/angepasst werden. Unter Bezugnahme auf 6 wird der Soll-Luftdurchsatz gemäß dem Drehzahlbefehl der Luftzufuhrvorrichtung bestimmt, wobei, selbst wenn der zuzuführende Soll-Luftdurchsatz durch Übertragung eines Drehstoppbefehls der Luftzufuhrvorrichtung derart eingestellt wird, so dass er niedrig ist, kann der tatsächlich zugeführte Luftdurchsatz dem Drehstoppbefehl nicht folgen, so dass mehr Luft geladen wird.
Das in dem Lufteinlassrohr 430 vorgesehene Ventil 420 weist einen Arm auf, der sich auf Basis einer Welle dreht, und die Steuerung 470 kann die Welle 510 drehen, um das Öffnen des Ventils 420 einzustellen. Hierbei kann eine Querschnittsfläche, in der die Luft strömt, in dem Rohr 430 durch Einstellen eines Winkels, der durch den in dem Ventil 420 vorgesehenen Arm 520 und einem Durchdringungsquerschnitt des Lufteinlassrohrs 430 gebildet wird, eingestellt werden, wobei die Querschnittsfläche proportional zu dem Durchsatz der an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführten Luft ist.
Der Winkel, der durch den in dem Ventil 420 vorgesehenen Arm 520 und den Durchdringungsquerschnitt des Lufteinlassrohrs 430 gebildet wird, kann berechnet werden als
wobei m_air den Durchsatz der Luft darstellt, (Δm_air/Δt)_target den durch den Brennstoffzellenstapel 410 erforderlichen Soll-Luftdurchsatz darstellt und (Δm_air/Δt)_sensor den Durchsatz der momentan an den Brennstoffzellenstapel 410 zugeführten Luft darstellt.
Das Brennstoffzellensystem und das entsprechende Steuerverfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung verhindern ein Überladen mit Luft in einem Antriebsmodus, der eine häufige Verzögerung und Beschleunigung erfordert, wie beispielsweise ein Fahren auf verstopften Straßen in der Stadt, um so das Austrocknen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern, wodurch die Haltbarkeit des Brennstoffzelle verbessert wird.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail beschrieben worden sind, stellen sie lediglich Beispiele dar. Es versteht sich für den Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Modifikationen und andere äquivalente Ausführungsformen aus der vorliegenden Offenbarung möglich sind. Demzufolge muss der tatsächliche technische Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung durch die Lehre der beigefügten Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Kathode und eine Anode; eine Luftzufuhrvorrichtung, die eingerichtet ist, um Luft an die Kathode zuzuführen; ein Lufteinlassrohr, das einen Auslass der Luftzufuhrvorrichtung und einen Einlass der Kathode miteinander verbindet und ein dazu vorgesehenes Ventil mit einer einstellbaren Öffnung aufweist; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um ein Öffnen des Ventils gemäß einer zugeführten Luftmenge einzustellen, um einen an die Kathode zugeführten Luftdurchsatz zu steuern/regeln.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Öffnen des Ventils gemäß einem Verhältnis eines für den Brennstoffzellenstapel erforderlichen Soll-Luftdurchsatzes und des an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luftdurchsatzes einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Öffnen des Ventils einstellt, um den Durchsatz der zugeführten Luft in dem Fall zu steuern/regeln, in dem ein Pegel eines Betriebssignals und ein Pegel eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stromes niedriger als ein voreingestellter Wert sind und ein Fehler zwischen einem Drehzahl-Befehlswert für die Luftzufuhrvorrichtung und einer Ist-Drehzahl entsprechend dem Befehlswert größer als ein voreingestellter Fehler ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Ventil eine Mehrzahl von sich auf Basis einer Welle drehenden Armen umfasst, und die Steuerung die Welle dreht, um das Öffnen des Ventils durch die Mehrzahl von Armen einzustellen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung einen Winkel einstellt, der durch die Mehrzahl von Armen und einen Durchdringungsquerschnitt des Lufteinlassrohrs gebildet wird, um eine Querschnittsfläche einzustellen, in der die zugeführte Luft in dem Rohr strömt, wobei die Querschnittsfläche proportional zu dem Durchsatz der an die Kathode zugeführten Luft ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei der Winkel
beträgt, m_air einen Durchsatz der Luft darstellt, (Δm_air/Δt)_target einen durch den Brennstoffzellenstapel erforderlichen Soll-Luftdurchsatz darstellt und (Δm_air/Δt)_sensor einen Durchsatz der momentan an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft darstellt.
Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems, das Verfahren aufweisend: Empfangen eines Betriebssignals eines Gaspedals; und Einstellen eines Öffnens eines Ventils auf der Grundlage des empfangenen Betriebssignals, wobei das Ventil in einem mit einem Lufteinlass eines Brennstoffzellenstapels verbundenen Rohr vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in dem Schritt zum Einstellen des Öffnens des Ventils das Öffnen des Ventils gemäß einem Verhältnis eines durch den Brennstoffzellenstapel erforderlichen Soll-Luftdurchsatzes gemäß dem empfangenen Betriebssignal und eines Durchsatzes von momentan an den Brennstoffzellenstapel zugeführter Luft eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner aufweisend ein Erfassen eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stromes, wobei das Einstellen des Öffnens des Ventils in dem Fall durchgeführt wird, in dem ein Ausgangsstromwert kleiner als ein voreingestellter Wert ist und ein Fehler zwischen einem Drehzahl-Befehlswert für eine Luftzufuhrvorrichtung, die Luft an den Brennstoffzellenstapel zuführt, und einer Ist-Drehzahl entsprechend dem Befehlswert größer als ein voreingestellter Fehler ist.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Kathode und eine Anode; eine Luftzufuhrvorrichtung, die eingerichtet ist, um Luft an die Kathode zuzuführen; ein Lufteinlassrohr, das einen Auslass der Luftzufuhrvorrichtung und einen Einlass der Kathode miteinander verbindet und ein dazu vorgesehenes Ventil mit einer einstellbaren Öffnung aufweist; einen Gaspedalsensor, der eingerichtet ist, um ein Gaspedal-Betriebssignal zu erfassen; einen Stromsensor, der eingerichtet ist, um einen von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Strom zu erfassen; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um ein Öffnen des Ventils gemäß einer zugeführten Luftmenge einzustellen, um einen an die Kathode zugeführten Luftdurchsatz zu steuern/regeln.