DE102014224611A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen des Sauerstoffdrucks eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen des Sauerstoffdrucks eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Offenbart werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen eines Partialdrucks von Sauerstoff, welcher einem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Der Sauerstoff-Partialdruck kann eingestellt werden durch primäres Erhöhen eines SR der Luft und durch sekundäres Erhöhen eines Schließverhältnisses eines Öffnungs- und Schließventils, wenn eine Konzentration des Sauerstoffs in der Luft erfasst ist, reduziert zu sein. Die Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung eines Brennstoffzellensystems umfasst: eine Luftversorgung; eine Brennstoffversorgung; einen Sauerstoffsensor, der in einer Luftversorgungsleitung installiert ist und eine Konzentration von Sauerstoff erfasst; ein Öffnungs- und Schließventil zum Einstellen eines Luftversorgungsdrucks; und einen Controller, welcher einen Partialdruck des Sauerstoffs unter Verwendung des Öffnungs- und Schließventils und eine Konzentration des Sauerstoffs, welche durch den Sauerstoffsensor erfasst wird, einstellt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Kraftstoffzellensystems. Insbesondere kann der Partialdruck von Sauerstoff, welcher einem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, eingestellt werden durch primäres Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft und durch sekundäres Erhöhen eines Schließverhältnisses eines Öffnungs- und Schließventils, wenn eine Konzentration von Sauerstoff bestimmt ist, in der Luft reduziert zu werden.
  • Hintergrund
  • Ein Kraftstoffzellensystem erzeugt Elektrizität oder elektrische Energie durch direktes Umwandeln chemischer Energie von Brennstoff in elektrische Energie.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, eine Brennstoffzuführungsvorrichtung, welche Brennstoff (Wasserstoff) dem Brennstoffzellenstapel zuführt, eine Luftzuführungsvorrichtung, welche Sauerstoff von Luft als Oxidationswirkstoff zuführt, welcher notwendig ist für eine elektrochemische Reaktion, an den Brennstoffzellenstapel, und eine Wärme- und Wasser-Management-vorrichtung, welche Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels zur Außenseite des Systems entfernt und welche eine Antriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert.
  • Das Brennstoffzellensystem erzeugt Elektrizität und führt Wärme und Wasser der Reaktionsbeiprodukte, gebildet während einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff der Luft, ab.
  • In einem Brennstoffzellenstapel, welcher auf einem Brennstoffzellenfahrzeug angewendet wird, sind Einheitszellen kontinuierlich angeordnet, und an der innersten von jeder Einheitszelle ist eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) angeordnet. Die MEA wird mit einer Elektrolytmembran gebildet, wo sich Protonen bewegen können, sowie einer Katalysatorschicht, wie z. B. einer Kathode und einer Anode, welche für die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an jeder Oberfläche der Elektrolytmembran aufgebracht ist.
  • Weiterhin ist eine Gasdiffusionsschicht (GDL) in einem äußeren Bereich der MEA angeordnet, wo sich die Kathode und die Anode befinden. An der Außenseite der Gasdiffusionsschicht ist ein Separator angeordnet, in dem ein Strömungsfeld gebildet wird, um Brennstoff und Luft an die Kathode und die Anode zuzuführen und um Wasser abzuführen, welches durch eine Reaktion erzeugt wird.
  • Dementsprechend tritt, wenn Wasserstoff und Sauerstoff mit einer chemischen Reaktion durch eine jeweilige Katalysatorschicht ionisiert werden, eine Oxidationsreaktion auf, bei der Protonen und Elektronen an der Anode erzeugt werden, und wenn Sauerstoffionen mit den Protonen reagieren, tritt eine Reduktionsreaktion auf, bei der Wasser an der Kathode erzeugt wird. Als ein in einer Brennstoffzelle verwendeter Elektrodenkatalysator wird ein Katalysator einschließlich eines Platinkatalysators und eines Promotormetalls, wie z. B. Ru, Co und Cu, in einer Katalysatorhalterung, welche aus Kohlenstoffmaterial gebildet ist, im Allgemeinen verwendet.
  • In dem Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff einer Anode zugeführt (ebenfalls als eine „Oxidationselektrode” bezeichnet), und Sauerstoff (Luft) wird einer Kathode (ebenfalls als eine „Reduktionselektrode” bezeichnet) zugeführt. Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, wird in Protonen (H+) und Elektronen (e–) durch den Katalysator der Anode zerlegt, welcher auf der Anodenseite der Elektrolytmembran gebildet ist. Darunter treten nur die Protonen (H+) selektiv durch die Elektrolytmembran über eine positive Ionenaustauschmembran und werden zur Kathode transferiert. In ähnlicher Weise werden die Elektronen (e–) zur Kathode über den leitfähigen Separator und die Gasdiffusionsschicht (GDL) transferiert.
  • In der Kathode reagieren Protonen, welche über die Elektrolytmembran zugeführt werden, und Elektronen, welche über den Separator transferiert werden, mit Sauerstoff der Luft, welcher an die Kathode durch eine Luftzuführungsvorrichtung zugeführt wird, um eine Reaktion zu bewirken, welche das Wasser erzeugt.
  • Durch die Bewegung der Protonen, welche zu dieser Zeit auftritt, wird ein Strom erzeugt mit einem Fluss von Elektronen durch einen externen leitenden Draht. Während der Wassererzeugungsreaktion tritt Wärme inzidenter auf.
  • Weil Wasserstoff, welcher der Anode zugeführt wird, in ein Tanksystem injiziert wird, kann eine Menge von zugeführtem Wasserstoff fast konstant aufrechterhalten werden, weil aber Sauerstoff von der Luft der Atmosphäre absorbiert wird und verwendet wird, kann Sauerstoff nicht stets eine vorbestimmte Konzentration aufrechterhalten. Wenn beispielsweise das Fahren eines Fahrzeugs an einem Ort durchgeführt wird, an dem eine Luftventilation nicht hinreichend ist, kann die Konzentration von Sauerstoff reduziert sein. Wenn Luft mit einer reduzierten Konzentration von Sauerstoff einem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, kann sich die Ausgangsleistung verschlechtern aufgrund eines reduzierten Sauerstoff-Partialdrucks auf unterhalb einem normalen Zustand innerhalb eines Brennstoffzellenstapels.
  • Bei ähnlichen Anwendungen wurde ein variables Drucksystem verwendet, welches differentiell einen Zuführdruck von Luft gemäß einer Ausgangsleistung, welche in einem Brennstoffzellensystem auftritt, einstellt, aber die reduzierte Konzentration von Sauerstoff kann nicht flexibel verbessert werden.
  • Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrundabschnitt offenbart werden, dienen nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrundes der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, welche nicht Stand der Technik bilden, welcher bereits in diesem Land einer Person von durchschnittlichem Fachwissen bekannt ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Bei einem bevorzugten Aspekt kann die vorliegende Erfindung das eine oder mehr vom Verfahren und der Vorrichtung mit Vorteilen des Einstellens eines Partialdrucks von Sauerstoff adressieren, welcher einem Brennstoffzellensystem zugeführt wird.
  • Der Sauerstoff-Partialdruck kann eingestellt werden durch primäres Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses (SR) von Luft und durch sekundäres Erhöhen eines Schließverhältnisses eines Öffnungs- und Schließventils, wenn eine reduzierte Konzentration von Sauerstoff in der Luft erfasst wird. Bei einer exemplarischen Ausführungsform wird eine Sauerstoff-Partialdruck-Einstell-vorrichtung von einem Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Die Vorrichtung kann umfassen: eine Luftzuführung, welche angeordnet ist zum Zuführen oder Abführen von Luft; eine Brennstoffzuführung, welche angeordnet ist zum Zuführen oder Abführen eines Brennstoffgases; einen Brennstoffzellenstapel, der konfiguriert ist zum Erzeugen von Elektrizität unter Verwendung der Luft und des Brennstoffgases, welche von der Luftzuführung und der Brennstoffzuführung zugeführt werden; einen Sauerstoffsensor, der konfiguriert ist, in einer Luftzuführungsleitung installiert zu sein, welcher die Luftzuführung und den Brennstoffzellenstapel verbindet, um eine Konzentration von Sauerstoff zu erfassen; ein Öffnungs- und Schließventil, welches konfiguriert ist, in einem Luftverteiler installiert zu werden, welcher Luft in der Luftzuführung abführt, um einen Luftzuführungsdruck einzustellen; und einen Controller, welcher konfiguriert ist zum Einstellen eines Partialdrucks des Sauerstoffs unter Verwendung des Öffnungs- und Schließventils und einer Konzentration von Sauerstoff, welche durch den Sauerstoffsensor erfasst wird.
  • Der Sauerstoffsensor kann einen Luftverschmutzungssensor umfassen.
  • Der Controller kann ein stöchiometrisches Verhältnis (SR) von Luft erhöhen, wenn eine Konzentration von Sauerstoff durch den Sauerstoffsensor erfasst wird, welche geringer als eine vorbestimmte Konzentration ist, und der Controller kann ein Luft-SR erhöhen und dann ein Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöhen, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer als eine Referenzspannung für die Brennstoffzellenausgangsleistung ist.
  • Die Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung des Brennstoffzellensystems kann weiterhin eine Anzeigeeinheit umfassen, welche konfiguriert ist zum Liefern eines Hinweises an einen Fahrer. Insbesondere kann die Anzeigeeinheit eine Warnung für einen Fahrer anzeigen, wenn eine Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgangsleistung geringer ist als eine vorbestimmte Spannung, sogar nachdem der Controller das Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöht.
  • Bei einer exemplarischen Ausführungsform ist ebenfalls ein Verfahren zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Verfahren kann umfassen: Erfassen einer Sauerstoffkonzentration von Luft, welche von einer Luftzuführung an einen Brennstoffzellenstapel zugeführt wird; Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses (SR) von Luft, wenn die erfasste Konzentration des Sauerstoffs geringer als eine vorbestimmte Konzentration ist; und Erhöhen eines Schließverhältnisses eines Öffnungs- und Schließventils, nachdem das Luft-SR erhöht ist, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer ist als eine Referenzspannung für die Brennstoffzellenausgangsleistung.
  • Das Verfahren kann weiterhin ein Anzeigen einer Warnung für einen Fahrer durch eine Anzeigeeinheit umfassen, nachdem ein Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöht ist, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer als eine Referenzspannung für die Brennstoffzellenausgangsleistung ist.
  • Ebenfalls bereitgestellt sind Fahrzeuge, welche die Vorrichtung der Erfindung umfassen, um einen Sauerstoff-Partialdruck eines Brennstoffzellensystems einzustellen. Weiterhin bereitgestellt sind Fahrzeuge, welche das Verfahren der Erfindung nutzen, um einen Sauerstoff-Partialdruck eines Brennstoffzellensystems einzustellen.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß verschiedenen exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, obwohl eine Konzentration von Sauerstoff entsprechend einer Fahrumgebung geändert wird, ein Partialdruck von Sauerstoff, welcher einem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, konstant aufrechterhalten werden, und eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems kann davon abgehalten werden, sich zu verschlechtern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 illustriert eine exemplarische Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 illustriert ein exemplarisches Verfahren zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung werden nur bestimmte exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben, und zwar einfach mittels Illustration. Wie die Fachleute realisieren, können die beschriebenen Ausführungsformen in mannigfaltigen verschiedenen Arten modifiziert werden, alle, ohne vom Geist oder Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • In der gesamten Spezifikation werden, falls nicht ausdrücklich anders beschrieben, die Worte „umfassen” und Variationen, wie z. B. „umfasst” oder „umfassend” derart verstanden werden, dass sie den Einschluss des gezeigten Elements implizieren, aber nicht den Ausschluss jeglicher anderer Elemente.
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente über die ganze Spezifikation.
  • Eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden detailliert mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
  • Eine Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist bereitgestellt in einem Brennstoffzellenfahrzeug, wo das Brennstoffzellensystem elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Brennstoff und einem Oxidationsmittel erzeugt.
  • Wenn ein Brennstoffzellensystem mit einem direkten Oxidations-Brennstoffzellen-verfahren gebildet ist, kann ein Brennstoff einen alkoholischen flüssigen Brennstoff, wie z. B. Methanol oder Ethanol, umfassen und kann weiterhin einen Hydrocarbon-basierten verflüssigten gasförmigen Brennstoff unter Verwendung von Methan, Ethan, Propan oder Butan als eine Hauptkomponente umfassen.
  • Wenn ein Brennstoffzellensystem mit einem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenverfahren gebildet ist, kann der Brennstoff ein Reformiergas mit einer Wasserstoffkomponente enthalten, welche aus dem verflüssigten Gasbrennstoff oder dem flüssigen Brennstoff über eine Reformiervorrichtung erzeugt wird, welche im Stand der Technik als „Reformierer” bezeichnet wird. Bei der vorliegenden Spezifikation ist der Brennstoff der Einfachheit halber als Wasserstoff bezeichnet.
  • 1 illustriert eine exemplarische Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 1 gezeigt, kann eine Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung eines Brennstoffzellensystems umfassen: einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher elektrische Energie erzeugt; eine Brennstoffzuführung 20, welche Wasserstoff als Brennstoff des Brennstoffzellenstapels 10 zuführt; eine Luftzuführung 30, welche an den Brennstoffzellenstapel 10 Luft zuführt, die für eine elektrochemische Reaktion notwendig ist; einen Sauerstoffsensor 32, der in einer Luftzuführungsleitung installiert ist, welche die Luftzuführung 30 und den Brennstoffzellenstapel verbindet, und die eine Konzentration des Sauerstoffs erfasst; ein Öffnungs- und Schließventil 34, welches in einem Luftverteiler installiert ist, der Luft in der Luftzuführung 30 abführt und einen Luftzuführungsdruck einstellt; eine Wärme- und Wasser-Managementeinheit 40, welche Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels 10 nach außerhalb des Systems entfernt, eine Antriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 steuert und eine Wassermanagementfunktion durchführt; und einen Controller 50, welcher den gesamten Betrieb des Brennstoffzellensystems steuert.
  • Die Brennstoffzuführung 20 kann einen Wasserstofftank, ein Proportionalsteuerventil und eine Wasserstoffrezirkulierungseinheit umfassen, und die Luftzuführung 30 kann ein Luftgebläse und einen Befeuchter umfassen.
  • Wasserstoff mit hohem Druck, welcher von dem Wasserstofftank der Brennstoffversorgung 20 zugeführt wird, kann dem Brennstoffzellenstapel 10 mit einem geringeren Druck über ein Proportionalsteuerventil zugeführt werden, und in der Wasserstoffrezirkulations-einheit kann Wasserstoff wiederverwendet werden durch Installieren eines Rezirkulationsgebläses in einer Rezirkulationsleitung, und durch Rezirkulieren des verbleibenden unreagierten Wasserstoffs an eine Anode und eine Kathode nach Verwendung davon in einer Anode des Stapels.
  • Der Sauerstoffsensor 32 kann in einer Luftzuführungsleitung installiert sein, welche die Luftzuführung 30 und den Brennstoffzellenstapel 10 verbindet. Der Sauerstoffsensor kann einen Luftverschmutzungssensor enthalten, welcher eine Strömungsrate von Luft misst und einen Verschmutzungsgrad gemäß einer Sauerstoffkonzentration der Luft erfasst.
  • Der Sauerstoffsensor 32 kann ebenfalls eine Konzentration von Sauerstoff erfassen, welche an den Brennstoffzellenstapel 10 in Realzeit zugeführt wird. Wenn ein Fahrzeug in einem geschlossenen und abgedichteten Raum fährt, wie z. B. in einem Innenraum oder einem Tunnel, kann der Controller 50 eine Logik enthalten, welche eine Konzentrationsänderung erfassen kann, und bestimmen, ob eine Konzentration von Sauerstoff, der in das Brennstoffzellensystem injiziert wird, reduziert ist.
  • Das Öffnungs- und Schließventil 34 kann in einem Luftverteiler installiert sein, welcher Luft in der Luftzuführung 30 abführt, und kann den Luftverteiler durch ein elektrisches Steuersignal selektiv öffnen und schließen. Beispielsweise kann das Öffnungs- und Schließventil 34 ein Solenoidventil enthalten.
  • Weiterhin kann das Öffnungs- und Schließventil 34 ein Öffnungs- und Schließverhältnis gemäß einem Steuersignal einstellen, welches von dem Controller 50 empfangen wird, um dadurch einen Luftdruck einzustellen, welcher dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Beispielsweise kann das Öffnungs- und Schließventil 34 ein Rückdruck-Steuerventil (BCV) aufweisen, ist aber darauf nicht beschränkt.
  • Die Wärme- und Wassermanagementeinheit 40 kann eine Kühlmittelpumpe und einen Radiator umfassen. Zum Injizieren von Kühlmittel, welches auf eine optimale Temperatur eingestellt ist, in dem Brennstoffzellenstapel, kann der Radiator die Temperatur des Kühlmittels einstellen.
  • Kühlmittel, das durch den Radiator getreten ist, kann durch Wärmeaustausch mit externer Luft gekühlt werden, und Kühlmittel, dessen Temperatur eingestellt ist, kann ebenfalls dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden.
  • Durch Steuern jedes einzelnen Bestandteilelements kann der Controller 50 Wasserstoff und Sauerstoff steuern, welche an die Anode und die Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt werden, um dadurch Elektrizität zu erzeugen. Bei einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Controller 50 einen Partialdruck vom Sauerstoff einstellen, der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, und zwar unter Verwendung des Öffnungs- und Schließventils 34 und einer Konzentration von Sauerstoff, welche durch den Luftverschmutzungssensor 32 erfasst wird.
  • Wenn eine Konzentration von Wasserstoff, welche durch den Sauerstoffsensor 32 erfasst wird, geringer als eine vorbestimmte Konzentration ist, kann der Controller 50 ein stöchiometrisches Verhältnis (SR) der Luft erhöhen. Ein Luft-SR kann eine tatsächliche Luftzuführungsmenge im Vergleich zu einer theoretischen Luftmenge sein. Wenn das Luft-SR erhöht wird, kann die tatsächliche Luftzuführungsmenge ansteigen und somit kann die Reaktivität des Brennstoffzellenstapels 10 erhöht werden.
  • Weiterhin kann, obwohl das Luft-SR erhöht wird, falls die Fahrperformance nicht wiederhergestellt wird, der Controller ein Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils 34 erhöhen. Als solches kann der Controller 50 mit zumindest einem Prozessor implementiert werden, welcher unter einem vorbestimmten Programm arbeitet, und das vorbestimmte Programm kann derart programmiert sein, dass es jeden Schritt gemäß einem Verfahren zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt.
  • 2 illustriert ein exemplarisches Verfahren zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 2 gezeigt, kann ein Verfahren zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestartet werden, wenn der Luftverschmutzungssensor 32 eine Konzentration von Sauerstoff der Luft erfasst, welche von der Luftzuführung 30 an den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird (S100).
  • Wenn der Luftverschmutzungssensor 42 eine Konzentration von Sauerstoff der Luft erfasst, welche dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, kann der Controller 50 die erfasste Konzentration des Sauerstoffs mit einer vorbestimmten Konzentration vergleichen (S110) und bestimmen, ob die Konzentration des Sauerstoffs reduziert ist.
  • Wenn die erfasste Konzentration des Sauerstoffs geringer als eine vorbestimmte Konzentration ist, was anzeigen kann, dass nicht genügend Sauerstoff zugeführt wird, kann der Controller 50 das stöchiometrische Verhältnis SR der Luft erhöhen, welche dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird (S120).
  • Wenn das Luft-SR bei Schritt S120 erhöht wird, kann die Konzentration des Sauerstoffs steigen, und somit kann zum Bestimmen, ob die Antriebsperformance der Brennstoffzelle wiederhergestellt ist, der Controller 50 eine Spannung gemäß einem angelegten Strom des Brennstoffzellenstapels und eine Referenzspannung für eine vorbestimmte Brennstoffzellenausgangsleistung vergleichen (S130).
  • Wenn eine Spannung gemäß einem angelegten Strom des Brennstoffzellenstapels geringer ist als eine Referenzspannung für eine vorbestimmte Brennstoffzellenausgangsleistung, kann der Controller 50 das Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils 34 durch Ausgeben eines Steuersignals erhöhen (S140).
  • Obwohl das Luft-SR bei Schritt S120 erhöht wird, kann der Controller 50, wenn die Antriebsfunktionstüchtigkeit der Brennstoffzelle nicht wiederhergestellt ist, den Luftdruck erhöhen, welcher dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, indem der Öffnungswinkel des Öffnungs- und Schließventils 34 bei Schritt S140 reduziert wird. Mit anderen Worten kann der Controller das SR der Luft erhöhen, und zusätzlich durch Erhöhen des Luftdrucks durch Erhöhen des Schließverhältnisses des Öffnungs- und Schließventils 34 kann der Controller 50 einen Partialdruck des Sauerstoffs mit mindestens zwei Schritten einstellen, welcher dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird.
  • Anschließend kann der Controller 50 die Spannung wiederum gemäß dem angelegten Strom des Brennstoffzellenstapels und die Referenzspannung für die vorbestimmte Brennstoffzellenausgangsleistung vergleichen und bestimmen, ob die Funktionstüchtigkeit der Brennstoffzelle wiederhergestellt ist, indem die Spannung überwacht wird (S150).
  • Wenn die Spannung gemäß dem angelegten Strom des Brennstoffzellenstapels geringer ist als die Referenzspannung für die Brennstoffzellenausgangsleistung, zeigt die Anzeigeeinheit eine Warnung für den Fahrer an (S160).
  • Dementsprechend kann, obwohl die Konzentration des Sauerstoffs sich gemäß der Fahrumgebung ändert, die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems davon abgehalten werden, sich zu verschlechtern, indem der Partialdruck des Sauerstoffs, welcher dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, konstant aufrechterhalten wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang damit beschrieben wurde, was momentan als verschiedene beispielhafte Ausführungsformen angesehen wird, sollte man verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die im Geist und Umfang der angehängten Patentansprüche enthalten sind.

Claims (11)

  1. Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit: einer Luftzuführung, welche zum Zuführen oder Abführen von Luft gestaltet ist; einer Brennstoffzuführung, welche zum Zuführen oder Abführen eines Brennstoffgases konfiguriert ist; einem Brennstoffzellenstapel, welcher zum Erzeugen von Elektrizität unter Verwendung der zugeführten Luft und des zugeführten Brennstoffgases gestaltet ist; einem Sauerstoffsensor, welcher in einer Luftzuführungsleitung installiert ist, die die Luftversorgung und den Brennstoffzellenstapel verbindet, und welcher zum Erfassen einer Konzentration des Sauerstoffs gestaltet ist; einem Öffnungs- und Schließventil, welches in einem Luftverteiler installiert ist, der zum Abführen von Luft in der Luftversorgung eingerichtet ist, zum Einstellen eines Luftzuführungsdrucks; und einem Controller, der eingerichtet ist zum Einstellen eines Partialdrucks von Sauerstoff unter Verwendung des Öffnungs- und Schließventils und einer Konzentration von Sauerstoff, welche durch den Sauerstoffsensor erfasst ist.
  2. Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoffsensor einen Luftverschmutzungssensor umfasst.
  3. Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Controller konfiguriert ist zum Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses (SR) der Luft, wenn eine Konzentration des Sauerstoffs, die durch den Sauerstoffsensor erfasst ist, geringer als eine vorbestimmte Konzentration ist.
  4. Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Controller konfiguriert ist zum Erhöhen des Luft-SR und anschließendem Erhöhen eines Schließverhältnisses des Öffnungs- und Schließventils, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer ist als eine Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgangsleistung.
  5. Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin aufweisend: eine Anzeige, welche zum Liefern eines Hinweises an einen Fahrer konfiguriert ist, wobei die Anzeige konfiguriert ist zum Anzeigen einer Warnung an den Fahrer, wenn die Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgangsleistung geringer ist als eine vorbestimmte Spannung, sogar nachdem der Controller das Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöht.
  6. Verfahren zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems mit den Schritten: Erfassen einer Sauerstoffkonzentration der Luft, welche von einer Luftzuführung an einen Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch einen Sauerstoffsensor; Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses (SR) von Luft, wenn die erfasste Konzentration des Sauerstoffs geringer ist als eine vorbestimmte Konzentration, durch einen Controller; und Erhöhen eines Schließverhältnisses des Öffnungs- und Schließventils, nachdem das Luft-SR erhöht ist, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer ist als eine Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgabe durch den Controller.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend: Anzeigen einer Warnung an einen Fahrer über eine Anzeige durch den Controller, nachdem ein Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöht ist, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer ist als die Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgangsleistung.
  8. Fahrzeug mit einer Sauerstoff-Partialdruck-Einstellvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1.
  9. Fahrzeug, welches ein Verfahren nach Anspruch 6 zum Einstellen eines Sauerstoff-Partialdrucks eines Brennstoffzellensystems davon verwendet.
  10. Nicht-transientes computerlesbares Medium mit Programminstruktionen, welche durch einen Controller ausführbar sind, wobei das computerlesbare Medium aufweist: Programminstruktionen, welche einen Sauerstoffsensor betreiben zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration der Luft, welche von einer Sauerstoffversorgung an einen Brennstoffzellenstapel zugeführt wird; Programminstruktionen, welche ein stöchiometrisches Verhältnis (SR) der Luft erhöhen, wenn die erfasste Konzentration des Sauerstoffs geringer als eine vorbestimmte Konzentration ist; und Programminstruktionen, welche ein Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöhen, nachdem das Luft-SR erhöht ist, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer ist als eine Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgangsleistung.
  11. Nicht-transientes computerlesbares Medium nach Anspruch 10, weiterhin aufweisend: Programminstruktionen, welche eine Warnung an einen Fahrer über eine Anzeige anzeigen, nachdem ein Schließverhältnis des Öffnungs- und Schließventils erhöht ist, wenn eine Spannung eines angelegten Stroms des Brennstoffzellenstapels geringer ist als die Referenzspannung für eine Brennstoffzellenausgangsleistung.
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