DE102014217881B4

DE102014217881B4 - Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102014217881B4
Application number: DE102014217881.9A
Authority: DE
Inventors: Sang Uk Kwon; Soon Il Jeon
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2024-09-12
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: KR101551024B1; CN104733755B; KR20150074310A; DE102014217881A1; CN104733755A; US9660281B2; US20150180067A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren aufweist:Vergleichen einer Spannung, welche in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, wenn Wasserstoff einer Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitspanne zugeführt wird, mit einer ersten Referenzspannung, in einem Zustand, in dem ein Luftabsperrventil, welches mit der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, geschlossen ist und eine Sauerstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel gestoppt ist;Bestimmen einer Sauerstoffmenge, die von der Brennstoffelektrode zu entfernen ist, oder einer Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs von der Brennstoffelektrode erforderlich ist, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die erste Referenzspannung ist;Ausführen einer Wasserstoffüberladung der Brennstoffelektrode in Abhängigkeit der zu entfernenden Sauerstoffmenge oder der Zeit, die zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich istVergleichen einer Spannung einer Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels mit einer zweiten Referenzspannung zur Lastverbindung, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die erste Referenzspannung ist; undVerbinden einer Last mit dem Brennstoffzellenstapel, wenn die Spannung der Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems, und genauer gesagt auf ein Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems, welches Restsauerstoff, der auf einer Brennstoffelektrode zurückbleibt, entfernen kann, um die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.
STAND DER TECHNIK
Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen gestapelt ist, und ein Brennstoffzuführsystem, um Wasserstoff etc., der als Brennstoff dient, dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Ein Luftzuführsystem führt Sauerstoff zu, welcher als Oxidationsmittel dient, um eine elektrochemische Reaktion hervorzurufen. Ein Wasser- und Wärmemanagementsystem steuert eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels. Das Brennstoffzuführsystem führt den Wasserstoff einer Brennstoffelektrode (Anode) des Brennstoffzellenstapels zu, indem ein Druck von verdichtetem Wasserstoff, welcher in einem Wasserstofftank gespeichert ist, verringert wird, wobei das Luftzuführsystem externe Luft einer Luftelektrode (Kathode) des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Gebläses zuführt.
Wenn Sauerstoff der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels und Luft der Luftelektrode zugeführt wird, werden Wasserstoffionen durch eine katalytische Reaktion auf der Brennstoffelektrode erzeugt. Die erzeugten Wasserstoffionen wandern durch eine elektrolytische Membran hindurch und erreichen die Luftelektrode als eine Oxidationselektrode. In der Oxidationselektrode führen die Wasserstoffionen die elektrochemische Reaktion mit Elektronen und Sauerstoff aus, was Energie erzeugt. Genauer gesagt treten eine elektrochemische Oxidationsreaktion mit dem Wasserstoff an der Brennstoffelektrode und eine elektrochemische Reduktionsreaktion mit dem Sauerstoff an der Luftelektrode auf. Dabei werden Elektrizität und Wärme aufgrund der Bewegung der Elektronen und Wasserdampf oder Wasser durch die chemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff erzeugt.
Das Brennstoffzellenfahrzeug umfasst ferner eine Abgabevorrichtung, welche Nebenprodukte, wie Wasserdampf, Wasser und Wärme, die während der Energieerzeugung erzeugt werden, sowie nicht verwendete Gase, wie Wasserstoff und Sauerstoff, abgibt. Der Wasserdampf und Gase, wie der Wasserstoff und Sauerstoff, werden durch eine Abgasleitung abgegeben.
Wenn sich jedoch eine Spannung in einem Zustand entwickelt, bei dem Sauerstoff auf der Brennstoffzellenelektrode zurückbleibt, tritt eine Kohlenstoffkorrosion in einer katalytischen Schicht einer Membranelektroden-Baugruppe (MEB) auf, was zu einer Verschlechterung der Lebenszeit des Brennstoffzellenstapels führt.
Das vorausgehende soll lediglich zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung dienen, wobei dies nicht bedeutet, dass die vorliegende Offenbarung in den Stand der Technik fällt, welcher dem Fachmann bereits bekannt ist.
Die DE 102 97 626 T5 und US 2007/ 0 148 512 A1 bilden Stand der Technik, welcher Brennstoffzellen betrifft.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oberen Probleme im Stand der Technik durchgeführt. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welches Restwasserstoff oder Restsauerstoff, der in dem Brennstoffzellensystem zurückbleibt, detektieren und einen Anlaufvorgang variabel steuern kann.
Die Erfindung wird durch Anspruch 1 definiert.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Vergleichen einer Spannung, welche in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, wenn Wasserstoff einer Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels für eine vorgegebene Zeitspanne zugeführt wird, mit einer ersten Referenzspannung. Eine Spannung, welche in einer Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird, wird mit einer zweiten Referenzspannung zur Lastverbindung verglichen, wenn die Spannung, die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die erste Referenzspannung ist. Eine Last wird mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, wenn die Spannung der Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer Sauerstoffmenge, welche von der Brennstoffelektrode zu entfernen ist, oder einer Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs von der Brennstoffelektrode erforderlich ist, umfassen, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die erste Referenzspannung ist. Dabei kann eine Wasserstoffüberladung der Brennstoffelektrode gemäß der zu entfernenden Sauerstoffmenge oder der Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist, durchgeführt werden.
Der Schritt des Lastverbindens kann ausgeführt werden, wenn die Spannung, welche in der Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels durch das Wasserstoffüberladen erzeugt wird, höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Die Menge des Sauerstoffs, welche zu entfernen ist, oder die Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist, kann proportional zur Spannung sein, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird.
Das Verfahren kann fernen einen Schritt zum Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, umfassen, wobei das Öffnen vor dem Schritt des Wasserstoffüberladens ausgeführt wird.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen umfassen, ob der Sauerstoff, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, vollständig durch die Wasserstoffüberladung entfernt wurde. Wenn der Sauerstoff vollständig entfernt wurde, wird die Wasserstoffüberladung gestoppt, die Lastverbindung gelöst und Luft einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels zugeführt.
In dem Schritt des Bestimmens kann die Bestimmung basierend darauf ausgeführt werden, ob eine Emissionsmenge von der Brennstoffelektrode die vorbestimmte Sauerstoffmenge, welche zu entfernen ist, überschreitet, oder ob eine Zeit, für welche die Wasserstoffüberladung ausgeführt wird, die vorbestimmte Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist, überschreitet.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt zum Vergleichen einer verstrichenen Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs zu dem Wasserstoffstapel mit einer vorbestimmten Referenzzeit umfassen, wobei der Schritt des Vergleichens der Spannung, welche in den Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, mit der ersten Referenzspannung ausgeführt wird, wenn die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs länger als die Referenzzeit ist.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt zum Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, und das Zuführen von Wasserstoff und Luft zu dem Brennstoffzellenstapel umfassen, wenn die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs kürzer als die Referenzzeit ist.
Die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs kann eine Zeit sein, welche vom Ausschalten eines Zündschlüssels eines Brennstoffzellenfahrzeugs verstrichen ist.
Die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs kann eine Zeit sein, welche von einer letzten Zufuhr des Wasserstoffs verstrichen ist, wenn der Wasserstoff periodisch nach dem Ausschalten eines Zündschlüssels eines Brennstoffzellenfahrzeugs zugeführt wird.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen umfassen, ob eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels eine Kaltstartbedingung erfüllt. Wasserstoff und Luft werden dem Brennstoffzellenstapel durch Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, zugeführt, wenn die Temperatur die Kaltstartbedingung erfüllt.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel durch Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, umfassen, wenn die Spannung, die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, geringer als die erste Referenzspannung ist.
Das Vergleichen kann ferner einen Schritt zum Bestimmen umfassen, ob eine Minimalspannung unter Spannungen, die in allen Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels erzeugt werden, höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Der Schritt zum Verbinden kann nicht ausgeführt werden, wenn die Spannung, welche in einer Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird, geringer als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Der Schritt zum Verbinden kann nicht ausgeführt werden, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels eine Kaltstartbedingung erfüllt, nachdem die Wasserstoffüberladung ausgeführt wurde.
Der Schritt zum Verbinden kann nicht ausgeführt werden, wenn das Versagen einer Lastverbindungseinrichtung detektiert wird und daher eine Last nicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden kann.
Der Schritt zum Verbinden kann nicht ausgeführt werden, wenn ein Zuführdruck von Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode geringer als ein Referenzdruck ist.
Das Verfahren kann ferner eine Menge von Wasserstoff durch ein Überladungsverfahren zuführen, welche größer als die Menge von Wasserstoff ist, die in dem Schritt zum Ausführen der Wasserstoffüberladung der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels verwendet wird, ohne den Schritt der Lastverbindung auszuführen.
Das Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Kohlenstoffkorrosion verhindern, welche in einer Brennstoffelektrode oder einer Luftelektrode einer Brennstoffzelle auftreten kann, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erhöht wird.
Darüber hinaus kann das Verfahren die Wasserstoffemissionen durch Anpassen einer Öffnung eines Luftabsperrventils anpassen, die Anlaufzeit verringern, die Brennstoffeffizienz erhöhen, und die Lärmentwicklung verringern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oberen und weitere Aufgaben, Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung unter Berücksichtigung der begleitenden Zeichnungen detaillierter beschrieben.

1 ist ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Ablaufdiagramm, welches grob ein Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Spezifische strukturelle und funktionale Beschreibungen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche hierin offenbart sind, dienen lediglich zur Illustration der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann in vielen verschiedenen Formen realisiert werden, ohne von der Lehre und signifikanten Eigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Dementsprechend dienen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich illustrativen Zwecken und sollten nicht zur Beschränkung der vorliegenden Offenbarung herangezogen werden.
Bezug wird nun im Detail auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, wobei spezifische Beispiele davon in den begleitenden Zeichnungen gezeigt und im Folgenden beschrieben sind, da die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in vielen verschiedenen Formen unterschiedlich modifizierbar sind. Während die vorliegende Offenbarung in Verbindung mit exemplarischen Ausführungsformen davon beschrieben wird, wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorliegende Offenbarung dieser exemplarischen Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil soll die vorliegende Erfindung nicht nur die exemplarischen Ausführungsformen umfassen, sondern verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche in der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Offenbarung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind, umfasst sind, umfassen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „erste“, „zweite“, etc. hier verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, wobei diese Elemente nicht durch derartige Bezeichnungen beschränkt werden sollen. Diese Begriffe werden lediglich verwendet, um ein Element von einem weiteren Element zu unterscheiden. Beispielsweise kann ein im Folgenden als erstes Element bezeichnetes Element als zweites Element bezeichnet werden, ohne von der Lehre der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. In ähnlicher Weise kann das zweite Element ebenfalls als erstes Element bezeichnet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem weiteren Element „gekoppelt“ oder „verbunden“ bezeichnet wird, dieses mit dem weiteren Element direkt gekoppelt oder verbunden oder ein Element dazwischen vorhanden sein kann. Im Gegenteil dazu wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als „direkt gekoppelt“ oder „direkt verbunden“ bezeichnet wird, keine weiteren Elemente dazwischen vorhanden sind. Weitere Ausdrücke, welche die Beziehung zwischen Elementen beschreiben, wie „zwischen“, „direkt dazwischen“, „benachbart zu“ oder „direkt benachbart zu“ sollen in dergleichen Art und Weise ausgelegt werden.
Die hierin verwendete Terminologie dient zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll nicht beschränkend sein. Die hier verwendeten singulären Formen „ein“, „eines“, „einer“ und „die“, „der“, „das“, sollen ebenfalls die Pluralformen umfassen, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes ergibt. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen „umfassen“, „aufweisen“, „hat“, etc., wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein von den genannten Merkmalen, Anzahlen, Schritten, Betrieben, Elementen, Komponenten und/oder Kombinationen von diesen darlegen soll, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzuführen von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, Anzahlen, Schritten, Betrieben, Elementen, Komponenten und/oder Kombinationen davon ausschließen soll.
Wenn nicht anderweitig gekennzeichnet, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie diese sie herkömmlich für einen Fachmann haben, an den die vorliegende Offenbarung gerichtet ist. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass Begriffe, wie jene, die in herkömmlichen Wörterbüchern definiert sind, derart auszulegen sind, wie sich deren Bedeutungen in dem relevanten Feld und der vorliegenden Offenbarung darstellen, und nicht in einer idealisierten oder überaus formellen Weise zu interpretieren sind, es sei denn dass dies hier explizit definiert wird.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet.
1 ist ein Ablaufdiagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wenn ein Zündschlüssel eines Brennstoffzellenfahrzeugs gedreht wird (S101), erlangt eine Brennstoffzellensteuerung (nicht gezeigt), welche eine Brennstoffzelle steuert, eine verstrichene Zeit, welche von der letzten Zufuhr von Wasserstoff zu einem Brennstoffzellenstapel verstrichen ist, und vergleicht die verstrichene Zeit mit einer vorbestimmten Referenzzeit (S103). Hier kann sich die verstrichene Zeit auf eine Zeit beziehen, welche von dem Zeitpunkt an genommen wird, bei dem die Zündung des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgeschaltet wird, oder in dem Fall, bei dem Wasserstoff periodisch zugeführt wird, auf eine Zeit, welche von dem Ausschalten der Zündung des Brennstoffzellenfahrzeugs zu der letzten Zufuhr von Wasserstoff genommen wird.
Wenn sich das Brennstoffzellenfahrzeug in einem Fahrzustand nach dem Einschalten des Zündschlüssels befindet, wird die Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich mit Wasserstoff versorgt. Dementsprechend wird Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel vollständig nach der verstrichenen Zeit vom Ausschalten des Zündschlüssels an verbraucht.
In dem Fall, bei dem Wasserstoff der Brennstoffelektrode nach dem Ausschalten des Zündschlüssels periodisch zugeführt wird, um Restsauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen, erlangt die Brennstoffzellensteuerung die verstrichene Zeit von der Zufuhr des Wasserstoffs zur Brennstoffelektrode und vergleicht die verstrichene Zeit mit der Referenzzeit.
Wenn die verstrichene Zeit von der letzten Zufuhr des Wasserstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel geringer als die Referenzzeit ist, befindet sich weiterhin Restwasserstoff auf der Brennstoffelektrode. Wenn der Restwasserstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist, ist es unwahrscheinlich, dass der Restsauerstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist. Dementsprechend muss eine spezielle Steuerung für das Brennstoffzellensystem ausgeführt werden, bei welcher die Brennstoffzellensteuerung Wasserstoff und Sauerstoff dem Brennstoffzellenstapel zuführt, um Elektrizität zu produzieren (S109).
Bevor Wasserstoff und Sauerstoff dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, kann die Brennstoffzellensteuerung ein Luftabsperrventil öffnen (S105), um den abgegebenen Wasserstoff, der durch einen Abfluss abgegeben wurde oder von der Brennstoffelektrode gespült wurde daran zu hindern, direkt an die Atmosphäre abgegeben zu werden, ohne mit Luft verdünnt zu werden. Das heißt, dass Wasserstoff mit Sauerstoff verdünnt wird, welcher durch eine Luftzufuhr zugeführt wird, bevor dieser an die Atmosphäre abgegeben wird, um die Umweltbestimmungen hinsichtlich Wasserstoffemissionen zu erfüllen. Das Luftabsperrventil steuert die Luftmenge, welche einer Luftelektrode zugeführt wird.
In Schritt S103 kann die Brennstoffzellensteuerung eine Umgebungslufttemperatur um das Fahrzeug durch einen Temperatursensor erlangen und bestimmen, ob das Fahrzeug sich in einer Kaltstartbedingung befindet. Eine Kohlenstoffkorrosionsreaktion tritt höchstwahrscheinlich nicht bei geringen Umgebungstemperaturen auf. Dementsprechend ist die spezielle Steuerung des Brennstoffzellensystems bei geringen Temperaturen nicht erforderlich. Daher führt die Brennstoffzellensteuerung Wasserstoff und Sauerstoff dem Brennstoffzellenstapel unter dieser Bedingung zu, um Elektrizität zu produzieren (S109). Die Brennstoffzellensteuerung kann das Luftabsperrventil vor dem Zuführen von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel öffnen (S105). Das heißt, dass die Brennstoffzellensteuerung das Luftabsperrventil, welches mit der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, öffnet und den Wasserstoff und den Sauerstoff dem Brennstoffzellenstapel unter der Kaltstartbedingung zuführt.
Wenn die verstrichene Zeit nach der letzten Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel länger als die Referenzzeit ist, befindet sich kein weiterer Wasserstoff auf der Brennstoffelektrode. Die Referenzzeit ist eine verstrichene Zeit, welche einen Zustand sicherstellen kann, bei dem kein Wasserstoff mehr auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist, wobei die Referenzzeit vorbestimmt werden kann. Das heißt, dass, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne von dem Ausschalten des Zündschlüssels oder der Zufuhr von Wasserstoff verstrichen ist, ein Zeitpunkt auftritt, bei dem kein weiterer Wasserstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist. Diese vorbestimmte Zeitspanne wird als Referenzzeit festgelegt.
Wenn sich das Fahrzeug nicht in der Kaltstartbedingung befindet, führt die Brennstoffzellensteuerung die gleiche Steuerung aus, welche ausgeführt wird, wenn die verstrichene Zeit von der letzten Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel länger als die Referenzzeit ist.
Wenn die verstrichene Zeit von der letzten Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel länger als die Referenzzeit ist, wird bestimmt, dass kein Wasserstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist. Aus diesem Grund führt in diesem Zustand die Brennstoffzellensteuerung den Wasserstoff der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels zu und bestimmt, ob Restsauerstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist (S107).
Die Bestimmung wird auf Basis dessen gemacht, ob eine Spannung des Brennstoffzellenstapels größer als eine Referenzspannung ist. Das heißt, dass die Brennstoffzellensteuerung eine gemessene Spannung, welche innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne nachdem der Wasserstoff dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wurde, gemessen wird, mit der Referenzspannung vergleicht (S111) und bestimmt, ob Restsauerstoff vorhanden ist oder nicht.
Die Referenzspannung ist eine Minimalspannung, welche detektiert werden kann, wenn der Restsauerstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist. Wenn der Restsauerstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist, kann der Restsauerstoff mit dem zugeführten Wasserstoff reagieren, was Elektrizität produziert, welche durch die Spannung detektiert wird. Die Minimalspannung, welche unter solch einer Bedingung detektiert werden kann, stellt die Referenzspannung dar. Daher kann die Brennstoffzellensteuerung feststellen, dass der Restsauerstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist, wenn die Spannung, welche innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne von der Zufuhr des Sauerstoffs an gemessen wird, höher als die Referenzspannung ist.
Wenn die gemessene Spannung in dem Brennstoffzellenstapel geringer als die Referenzspannung ist, kann die Brennstoffzellensteuerung den Sauerstoff der Luftelektrode zuführen (S115). Hier kann die Brennstoffzellensteuerung das Luftabsperrventil öffnen (S113), bevor der Sauerstoff der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, um die Brennstoffelektrode zu spülen oder den durch den Abfluss abgegebenen Wasserstoff davon abzuhalten, direkt an die Atmosphäre ausgegeben zu werden. Das heißt, dass dieser Betrieb ausgeführt wird, um Umweltregularien bezüglich Wasserstoffemissionen einzuhalten, sodass der Wasserstoff nicht allein an die Atmosphäre abgegeben wird, sondern nachdem dieser mit Sauerstoff verdünnt wurde.
Wenn die Spannung, welche sich innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne einstellt, höher als die Referenzspannung ist, kann die Brennstoffzellensteuerung eine Sauerstoffmenge, die von der Brennstoffelektrode zu entfernen ist, oder eine Zeit bestimmen, welche für die Entfernung des Sauerstoffs erforderlich ist (S117). Die Sauerstoffmenge, welche zu entfernen ist, oder die Zeit, welche für die Sauerstoffentfernung erforderlich ist, kann proportional zu der Spannung in dem Brennstoffzellenstapel sein. Das heißt, dass, wenn die Spannung, welche sich nach der Zufuhr des Sauerstoffs zu der Brennstoffelektrode einstellt, groß ist, der Restsauerstoff, welcher auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist, eine große Menge darstellt. Aus diesem Grund wird die Sauerstoffmenge, die zu entfernen ist, oder die Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist, erhöht.
Die Brennstoffzellensteuerung kann Wasserstoff der Brennstoffelektrode in Form von Überladen in Abhängigkeit der zu entfernenden Sauerstoffmenge oder der Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist, zuführen (S121). Die Brennstoffzellensteuerung kann das Luftabsperrventil vor dem Ausführen der Überladung öffnen. Das heißt, dass, wenn die Spannung, welche innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne erzeugt wird, höher als die Referenzspannung ist, Restsauerstoff auf der Brennstoffelektrode vorhanden ist. In diesem Zustand neigen Wasserstoff und Sauerstoff, welche auf der Brennstoffelektrodenseite vorhanden sind, dazu zurückzufließen, wenn das Luftabsperrventil geschlossen bleibt. Aus diesem Grund kann das Luftabsperrventil vor dem Schritt S121 geöffnet werden (S119).
Nach der Wasserstoffüberladung detektiert die Brennstoffzellensteuerung die Temperatur des Brennstoffzellenstapels und bestimmt, ob Kaltstartbedingungen erfüllt sind oder nicht (S123). Wenn die Kaltstartbedingungen erfüllt sind und die Last nicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, wird eine Wasserstoffmenge, welche größer als der überladene Wasserstoff ist, zusätzlich der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels zugeführt (S127). Zum Zeitpunkt des Kaltstartens wird Wasser produziert oder die Brennstoffelektrode eingefroren, wenn die Last mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden wird. In diesem Fall kann die Last nicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden, da es schwierig ist, den Wasserstoff zu jeder Zelle gleichförmig zuzuführen. Demnach kann die Referenzzellenspannung zur Lastverbindung erhöht werden, obwohl die Last mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden wird. Wenn die Last nicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden kann (S123), kann die Brennstoffzellensteuerung zusätzlich eine Wasserstoffmenge zuführen, welche größer als die Wasserstoffmenge ist, die zur Überladung der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels verwendet wird (S127).
Die Brennstoffzellensteuerung vergleicht die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel nach der Wasserstoffüberladung erzeugt wird, mit einer Referenzzellenspannung zur Lastverbindung (S125) und kann eine Last mit dem Brennstoffzellenstapel verbinden, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die Referenzspannung ist (S129).
Hier deutet die Referenzzellenspannung zur Lastverbindung darauf hin, dass die Last mit dem Brennstoffzellenstapel zu verbinden ist. Das heißt, dass oberhalb der Referenzspannung eine Minimalzellenspannung von jeder Zelle in dem Brennstoffzellenstapel höher als ein Referenzspannungswert ist. Wenn jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels ausreichend Wasserstoff zugeführt wird, können Wasserstoff und Sauerstoff in jeder Zelle reagieren, um eine Spannung zu erzeugen. Das heißt, dass dadurch bestimmt wird, ob die Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel ausreichend oder nicht ist, ob jede Einheitszelle die Minimalzellenspannung oder nicht erzeugt.
Das heißt, dass der Zustand, bei dem die Zellenspannung, welche innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne erzeugt wird, höher als eine vorbestimmte Spannung (Referenzzellenspannung zur Lastverbindung) ist, darauf hinweist, dass die Zufuhr von Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode ausreichend ist. Demensprechend wird die Last mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, sodass ein Spannungsanstieg verhindert werden kann (S129). Wenn die Last nicht in Ordnung ist, die Last nicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden kann oder der Druck des Wasserstoffs verringert wird (S131), trennt die Brennstoffzellensteuerung die Last von dem Brennstoffzellenstapel (S133) und führt Wasserstoff der Brennstoffelektrode in Form des Überladens zu (S127).
Die Referenzzellenspannung zur Lastverbindung kann sowohl unter Berücksichtigung des Wasserstoffmangels oder der Kohlenstoffkorrosion bestimmt werden. Wenn die Lastverbindung schnell durchgeführt wird, kann ein Wasserstoffmangel auftreten, eine Kohlenstoffkorrosion jedoch verhindert werden. Im Gegenteil kann eine Wasserstoffzufuhr ausreichend sein, jedoch eine Kohlenstoffkorrosion auftreten, wenn die Lastverbindung langsam ausgeführt wird.
Wenn die Spannung, welche in jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird, nicht für eine vorbestimmte Zeitspanne nach der Wasserstoffzufuhr ansteigt, kann die Brennstoffzellensteuerung die Lastverbindung zu dem Brennstoffzellenstapel nicht erlauben. Wenn die Zellenspannung, welche innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne erzeugt wird, geringer als eine vorbestimmte Spannung ist (Referenzzellenspannung zur Lastverbindung), befindet sich die Zufuhr von Wasserstoff zur Brennstoffelektrode im Mangel. Dementsprechend führt in diesem Fall die Brennstoffzellensteuerung den Wasserstoff der Brennstoffelektrode in der Art des Überladens zu (S127).
Wenn der Druck des Wasserstoffs, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, geringer als ein vorbestimmter Druckwert ist (S131), sodass der Wasserstoff nicht allen Zellen des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden kann, kann der Brennstoffzellenstapel eine Wasserstoffmenge zuführen, welche größer als die Wasserstoffmenge ist, die zur Überladung der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels verwendet wird (S127).
2 ist ein Ablaufdiagramm, welches grob das Verfahren zur Steuerung eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem führt eine Wasserstoffüberladung des Brennstoffzellenstapels aus (S201) und bestimmt, ob der gesamte Restsauerstoff, welcher dazu neigt, auf der Brennstoffelektrode vorhanden zu sein, vollständig entfernt wurde (S203). Das System trennt die Last von dem Brennstoffzellenstapel und beendet den Wasserstoffüberladungsbetrieb der Brennstoffelektrode (S205), wenn festgestellt wird, dass der Restsauerstoff vollständig entfernt wurde. Da der gesamte Restsauerstoff von der Brennstoffelektrode entfernt wurde, kann die Brennstoffzellensteuerung Luft der Luftelektrode zuführen (S207).
Das Überladen von Wasserstoff an der Brennstoffelektrode (S201) kann sich auf die Schritt S121 und S127, welche in 1 gezeigt sind, beziehen. 2 ist ein Ablaufdiagramm, welches lediglich Schritte darstellt, die auf die Überladung (S121) oder die zusätzliche Überladung (S127) der Schritte, welche in 1 gezeigt sind, folgen.
Die Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, erforderlich ist, variiert in Abhängigkeit der Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, wobei die Bestimmung des Erfolges der vollständigen Entfernung von Wasserstoff, welcher in der Brennstoffelektrode zurückbleibt, auf Basis einer Wasserstoffzuführzeit oder einer Emissionsmenge von der Brennstoffelektrode durchgeführt wird. Beispielsweise wird die Emissionsmenge unter Verwendung eines Differenzdruckes oder einer Öffnungszeit eines Ventils gemessen.
Die Brennstoffzellensteuerung bestimmt, ob der Sauerstoff, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, vollständig durch die Wasserstoffüberladung, welche in Schritt S127 ausgeführt wird, entfernt wird (S203). Die Steuerung stoppt die Wasserstoffüberladung und führt der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels Luft zu, wenn festgestellt wird, dass der Sauerstoff vollständig entfernt wurde. Die Zeit, welche zum Entfernen von Sauerstoff, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, erforderlich ist, kann in Abhängigkeit der Spannung variieren, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird. Die Bestimmung des Erfolgs der vollständigen Entfernung von Sauerstoff kann auf Basis der Sauerstoffmenge, die zu entfernen ist, der gesamten Wasserstoffzuführzeit und der Emissionsmenge von der Brennstoffelektrode durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Anlaufs eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren aufweist: Vergleichen einer Spannung, welche in einem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, wenn Wasserstoff einer Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels für eine vorbestimmte Zeitspanne zugeführt wird, mit einer ersten Referenzspannung, in einem Zustand, in dem ein Luftabsperrventil, welches mit der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, geschlossen ist und eine Sauerstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel gestoppt ist; Bestimmen einer Sauerstoffmenge, die von der Brennstoffelektrode zu entfernen ist, oder einer Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs von der Brennstoffelektrode erforderlich ist, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die erste Referenzspannung ist; Ausführen einer Wasserstoffüberladung der Brennstoffelektrode in Abhängigkeit der zu entfernenden Sauerstoffmenge oder der Zeit, die zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist Vergleichen einer Spannung einer Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels mit einer zweiten Referenzspannung zur Lastverbindung, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, höher als die erste Referenzspannung ist; und Verbinden einer Last mit dem Brennstoffzellenstapel, wenn die Spannung der Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt zum Verbinden der Last ausgeführt wird, wenn die Spannung, welche in der Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels durch die Wasserstoffüberladung erzeugt wird, höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sauerstoffmenge, welche zu entfernen ist, oder die Zeit, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist, proportional zur Spannung ist, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit ferner dem Schritt: Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wobei das Öffnen vor dem Schritt des Ausführens der Wasserstoffüberladung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit ferner den Schritten: Bestimmen, ob der der Brennstoffelektrode zugeführte Sauerstoff vollständig durch die Wasserstoffüberladung entfernt wurde; und Stoppen der Wasserstoffüberladung, Freigeben der Lastverbindung und Zuführen von Luft zu einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels, wenn der Sauerstoff vollständig entfernt wurde.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem Schritt des Bestimmens, die Bestimmung basierend darauf ausgeführt wird, ob eine Emissionsmenge von der Brennstoffelektrode die bestimmte Sauerstoffmenge, welche zu entfernen ist, überschreitet, oder ob eine Zeit, für welche die Wasserstoffüberladung ausgeführt wird, die bestimmte Zeit überschreitet, welche zum Entfernen des Sauerstoffs erforderlich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit ferner dem Schritt: Vergleichen einer verstrichenen Zeit von einer Beendigung der letzten Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel mit einer Referenzzeit, wobei der Schritt des Vergleichens der Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, mit der ersten Referenzspannung ausgeführt wird, wenn die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs länger als die Referenzzeit ist.
Verfahren nach Anspruch 7 mit ferner dem Schritt: Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, und Zuführen von Wasserstoff und Luft zu dem Brennstoffzellenstapel, wenn die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr von Wasserstoff geringer als die Referenzzeit ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs eine Zeit ist, welche vom Ausschalten eines Zündschlüssels eines Brennstoffzellenfahrzeugs verstrichen ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die verstrichene Zeit von der Beendigung der letzten Zufuhr des Wasserstoffs eine Zeit ist, welche von der letzten Zufuhr des Wasserstoffs, wenn der Wasserstoff periodisch zugeführt wird, nach dem Ausschalten eines Zündschlüssels eines Brennstoffzellenfahrzeugs verstrichen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit ferner den Schritten: Bestimmen, ob eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels eine Kaltstartbedingung erfüllt; und Zuführen von Wasserstoff und Luft zu dem Brennstoffzellenstapel durch Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wenn die Temperatur die Kaltstartbedingung erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit ferner dem Schritt: Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel durch Öffnen eines Luftabsperrventils, welches mit einer Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, wenn die Spannung, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, geringer als die erste Referenzspannung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich das Vergleichen auf einen Schritt zum Bestimmen bezieht, ob eine Minimalspannung unter Spannungen, welche in allen Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels erzeugt werden, höher als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Verbindens nicht ausgeführt wird, wenn die Spannung, welche in einer Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird, geringer als die zweite Referenzspannung zur Lastverbindung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem der Schritt des Verbindens nicht ausgeführt wird, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels eine Kaltstartbedingung nach Ausführen der Wasserstoffüberladung erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbinden nicht ausgeführt wird, wenn ein Versagen einer Lastverbindungseinrichtung detektiert wird und daher eine Last nicht mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbinden nicht ausgeführt wird, wenn ein Zuführdruck des Wasserstoffs zu der Brennstoffelektrode geringer als ein Referenzdruck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 mit ferner dem Schritt: Zuführen einer Wasserstoffmenge zu der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels durch ein Überladungsverfahren, welche größer als die Wasserstoffmenge ist, die in dem Schritt zum Ausführen der Wasserstoffüberladung verwendet wird, ohne den Schritt der Lastverbindung auszuführen.