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HINTERGRUND
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a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Wasserstoffabsaugvorrichtung und ein -verfahren für ein Brennstoffzellensystem. Spezifischer betrifft sie eine Wasserstoffabsaugvorrichtung und ein -verfahren, welche den Wasserstoffnutzfaktor einer Brennstoffzelle und die Effizienz eines Brennstoffzellensystems erhöhen.
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b) Stand der Technik
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Ein in einem Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug, eine Art eines umweltfreundlichen Fahrzeugs, ausgebildetes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel konfiguriert zum Erzeugen von elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion von Reaktionsgasen (zum Beispiel Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel), eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung konfiguriert zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff als Brennstoff, eine Luftversorgungsvorrichtung konfiguriert zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Luft einschließlich Sauerstoff, ein Hitze- und Wasserverwaltungssystem konfiguriert zum Einstellen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und zum Ausführen einer Wasserverwaltungsfunktion, und eine Brennstoffzellensystemsteuereinheit konfiguriert zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
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1 ist ein beispielhaftes schematisches Diagramm zur Illustration eines allgemeinen Brennstoffzellensystems. Eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung umfasst einen Wasserstoffspeicher (Wasserstofftank) 21, Hochdruck/Niedrigdruck-Regulatoren (nicht gezeigt), ein Wasserstoffversorgungsventil 23, eine Wasserstoffrückführungsvorrichtung, und Ähnliches. Eine Luftversorgungsvorrichtung umfasst ein Luftgebläse 31, einen Befeuchter 31, und Ähnliches. Ein Wärme- und Wasserverwaltungssystem (nicht gezeigt) umfasst eine elektrische Wasserpumpe (Kühlwasserpumpe), einen Wassertank, eine Heizung, und Ähnliches.
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Vom Wasserstofftank 21 der Wasserstoffversorgungseinrichtung bereitgestellter Hochdruckwasserstoff passiert abschnittsweise die Hochdruck/Niederdruck-Regulatoren (nicht gezeigt) und wird dann bei niedrigerem Druck einem Brennstoffzellenstapel 10 bereitgestellt. In der Wasserstoffrückführungsvorrichtung ist in einer Rückführungslinie 24 ein Ausstoßer 25 und/oder ein Rückführungsgebläse installiert, um nach der Verwendung in einer Wasserstoffelektrode (Anode) des Brennstoffzellenstapels 10 verbliebenen Nicht-Reaktions-Wasserstoff zu der Anode zurückzuführen, und somit die Wiederverwendung des Wasserstoffs zu fördern. Die Luftversorgungsvorrichtung ist konfiguriert, um die von dem Luftgebläse 31 zur Verfügung gestellte Luft durch den Befeuchter 32 zu befeuchten, und dann die befeuchtete Luft dem Brennstoffzellenstapel 10 zur Verfügung zu stellen.
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In der Zwischenzeit werden in dem Brennstoffzellensystem Stickstoff in der Luft, welcher einer Luftelektrode (Kathode) bereitgestellt wurde, und in der Kathode erzeugtes Wasser (Wasser und Dampf) durch eine elektrolytische Membran im Inneren des Stapels überkreuzt, um sich zur Anode zu bewegen, basierend auf dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10. Insbesondere verschlechtert der Stickstoff die Leistung des Stapels durch Reduzieren des Teildrucks des Wasserstoffs, und das erzeugte Wasser behindert die Bewegung des Wasserstoffs durch Blockieren des Fließpfades eines Trennplattenkanals. Daher sollte der Stickstoff in der Luft und Flüssigkeitstropfen im Kanal, welche überkreuzt sind, durch periodisches Absaugen der Anode entfernt werden, um eine stabile Leistung des Stapels zu ermöglichen.
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Wenn in einem Brennstoffzellensystem die Menge von Fremdstoffen, wie Stickstoff, Wasser und Dampf, welche zur Anode durch die elektrolytische Membran im Inneren des Stapels überkreuzt werden, anwachsen, nimmt die Menge von Wasserstoff in der Anode ab, und daher nimmt die Reaktionseffizienz ab. Folglich wird ein Wasserstoffabsaugventil 40 basierend auf einer vorgegebenen Zeitperiode geöffnet, um ein Absaugen durchzuführen. In anderen Worten, Sauerstoff der Anode wird periodisch ausgestoßen, durch Installieren des Wasserstoffabsaugventils 40, konfiguriert zum Absaugen von Wasserstoff in eine Ausgangs-(das heißt Ausstoß)-Seitenlinie der Anode des Brennstoffzellenstapels 10, um Fremdstoffe, wie Nässe und Stickstoff von der Trennplatte im Brennstoffzellenstapel 10 auszustoßen und zu entfernen, und den Wasserstoffnutzfaktor zu erhöhen.
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Wenn die Fremdstoffe im Brennstoffzellenstapel wie oben beschrieben ausgestoßen werden, kann sich die Wasserstoffkonzentration erhöhen zum Erhöhen des Wasserstoffnutzfaktors, und zum Verbessern von Gasdiffusität und Reaktivität. Das Wasserstoffabsaugventil 40 ist ein elektronisches Steuerventil, welches periodisch geöffnet/geschlossen wird basierend auf einer Steuerung einer Brennstoffzellensystemsteuervorrichtung (nicht gezeigt) zum Verwalten einer Wasserstoffkonzentration. Wenn das Wasserstoffabsaugventil 40 geöffnet ist, werden Fremdstoffe wie Nässe und Stickstoff im Brennstoffzellenstapel 10 durch ein Fahrzeugauspuffrohr 34 an die Luft ausgestoßen. Wenn das Wasserstoffabsaugventil 40 geöffnet ist, während ein Fahrzeug fährt, kann Wasserstoff an die Luft durch das hintere Ende der Kathode, eine Abgasleitung 33 und das Abgasrohr 34 aufgrund eines Druckunterschieds zwischen der Anode (relativ hoher Druck) und der Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 ausgestoßen werden. Insbesondere werden Fremdstoffe zusammen mit dem Wasserstoff ausgestoßen, und daher kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels aufrechterhalten werden.
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Wie in 2 gezeigt, wird beim Wasserstoffabsaugen eine Absaugzeitperiode basierend auf einem Stapelstrom bestimmt. Wenn das Wasserstoffabsaugen basierend auf der gleichen Ladungsmenge (basierend auf einer festen Ladungsmenge) durchgeführt wird, ist die Absaugzeitperiode in einem Niedrigstrombereich des Stapels größer als in einem Hochstrombereich des Stapels. Insbesondere ist die Menge von Stickstoff, welche unter der gleichen Betriebssituation des Brennstoffzellenstapels überkreuzt wurde, die gleiche. Wenn daher die Absaugzeitperiode erhöht wird, erhöht sich das Volumen von in der Wasserstoffrückführungsvorrichtung angesammeltem Stickstoff, und daher nimmt die Wasserstoffkonzentration der Wasserstoffrückführungsvorrichtung in dem Niedrigstromgebiet ab.
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Als ein Folge nimmt die Wasserstoffrückführungsleistung aufgrund eines Ansteigens der Menge von rückgeführtem Stickstoff ab, und das stöchiometrische Verhältnis (im Folgenden als „SR” bezeichnet) des Wasserstoffs nimmt ab. Insbesondere kann das SR des Wasserstoffs durch Messen einer Anodeneingangs-Wasserstoffkonzentration und einer Anodenausgangs-Wasserstoffkonzentration des Stapels und der folgenden Ausdrücke berechnet werden. Anodeneingangs-Wasserstoffkonzentration = x/(x + y) Anodenausgangs-Wasserstoffkonzentration = (x – c)/(x – c + y), wobei x eine bereitgestellte Menge von Wasserstoff bezeichnet, y eine rückgeführte Menge von Stickstoff und c eine theoretisch Verbrauchsmenge von Wasserstoff (Nicht-Berücksichtigung von Überkreuzung) bezeichnet.
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Wenn die Absaugreferenz eine Betriebstemperatur (zum Beispiel eine statische-Strom-Bedingung des Stapels), wie in 3 gezeigt, ist, nimmt die Menge von von der Kathode zur Anode zurückdiffundiertem Dampf ab aufgrund eines Anwachsens der Menge von von dem Kathodenausgang des Stapels ausgestoßenem Dampf, wenn die Betriebstemperatur im Vergleich zu einer Zieltemperatur unter der gleichen Betriebsbedingung ansteigt. Daher nimmt die Dampfmenge an der Anode ab, und daher nimmt der Taupunkt ab. Als ein Ergebnis nimmt die Konzentration von rückgeführtem Wasserstoff zu, und daher nimmt das SR des Wasserstoffs ab.
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Wenn die Absaugreferenz die Betriebstemperatur wie in 3 gezeigt ist, nimmt die Menge von Flüssigkeitstropfen in der Wasserstoffrückführungsvorrichtung zu, und der Taupunkt nimmt ebenfalls ab, wenn die Betriebstemperatur unter der gleichen Betriebsbedingung abnimmt. Zusätzlich nimmt die Menge von überkreuztem Stickstoff ab. Als ein Ergebnis nimmt das SR des Wasserstoffs zu.
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4 ist ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Überkreuzungsmenge von Wasserstoff basierend auf einem Stapelbetriebsdruck [M. Inaba et al./Electrochimica Acta 51 (2006) 5746–5753]. Wie in dieser Figur gezeigt, nimmt, wenn die Absaugreferenz ein Betriebsdruck ist, und der Druckunterschied zwischen der Anode und der Kathode gleich Null ist, die Menge von in einem Anwachsen des Betriebsdrucks überkreuzten Gases zu. Als ein Ergebnis nimmt die Verminderung der Wasserstoffkonzentration zu aufgrund eines Ansteigens der Überkreuzungsmenge von Stickstoff, wenn der Betriebsdruck durch einen Druckbetrieb unter der gleichen Betriebsbedingung erhöht ist, zu, wodurch das SR des Wasserstoffs abnimmt.
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Folglich sollten Stapelstrom, Stapelbetriebstemperatur, Stapelbetriebsdruck und Ähnliches gleichzeitig berücksichtigt werden, wenn die Absaugzeitperiode bestimmt wird. Im Brennstoffzellensystem nimmt der Druckunterschied zwischen der Anode und der Kathode des Stapels zu, wenn der Stapelstrom zunimmt. Insbesondere nimmt die im Stapel erzeugte Hitzemenge zu, und daher nimmt die Stapelbetriebstemperatur zu. Wenn insbesondere die Kühlleistung des Brennstoffzellensystems mangelhaft ist, nimmt die Betriebstemperatur weiter zu, und daher nimmt die Stapelleistung ab. Wenn der Stapelstrom ansteigt, um eine größere Leistung zu erreichen, nimmt der Druckunterschied zwischen der Anode und der Kathode des Stapels zusätzlich zu.
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Wenn darüber hinaus die Stapelspannung aufgrund eines Ansteigens des Stapelstroms abnimmt, wird eine Grenzstrom-Steuerung zum Verringern des Stapelstroms und der Leistung durchgeführt, um den Stapel zu schützen, und daher nehmen der Druckunterschied zwischen der Anode und der Kathode des Stapels und die Stapelbetriebstemperatur ab. Folglich stehen Brennstoffzellenbetriebszustände wie Stapelstrom, Stapelbetriebstemperatur und Stapelbetriebsdruck miteinander in Beziehung und verändern sich in Echtzeit. Wenn daher die optimale Absaugladungsmenge in jeden Betriebszustand hergeleitet wird und dann zur Wasserstoffabsaugsteuerung verwendet wird, kann es möglich sein, die Wasserstoffrückführungsleistung und die Systemeffizienz zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Wasserstoffabsaugvorrichtung und ein -verfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit, bei welchem das Öffnen/Schließen eines Wasserstoffabsaugventils basierend auf einer Absaugladungsmenge variabel kontrolliert werden kann, abhängig von einem Betriebszustand einer Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem, zum Verbessern des Wasserstoffnutzfaktors der Brennstoffzelle, der Systemeffizienz, der Wasserstoffrückführungsleistung und Ähnlichem.
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Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Wasserstoffabsaugvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem bereit, welches umfassen kann: einen Betriebszustandsdetektor konfiguriert zum Detektieren eines Betriebszustandes eines Brennstoffzellenstapels; eine Steuervorrichtung konfiguriert zum Bestimmen einer Öffnungszeit eines Wasserstoffabsaugventils basierend auf Informationen, welche den von dem Betriebszustandsdetektor detektierten Stapelbetriebszustand betreffen, und Ausgeben eines Steuersignals zum Öffnen des Wasserstoffabsaugventils; und zum Öffnen des Wasserstoffabsaugventils zum Wasserstoffabsaugen des Brennstoffzellenstapels als Reaktion auf die Steuersignalausgabe der Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung kann konfiguriert sein, um in jeder vorgegebenen Ansammlungszeitperiode eine variable Absaugladungsmenge, welche zu einem aktuellen Stapelbetriebszustand korrespondiert, von einer Karte zu empfangen, eine Ladungsmenge für eine Zeitperiode gleich der Ansammlungszeitperiode unter Verwendung einer vorgegebenen Referenzabsaugladungsmenge zu berechnen, eine Ansammlung durch Ansammeln der berechneten Ladungsmenge in jeder Ansammlungszeitperiode durchzuführen, und dann die Öffnungszeit des Wasserstoffabsaugventils durch Vergleichen der angesammelten Ladungsmenge mit der Referenzabsaugladungsmenge zu bestimmen.
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In einer anderen Hinsicht, stellt die vorliegende Erfindung ein Wasserstoffabsaugverfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit, welches umfassen kann: Empfangen und Überwachen eines in Echtzeit von einem Betriebszustandsdetektor detektierten Betriebszustands eines Brennstoffzellenstapels; Empfangen in jeder vorgegebenen Ansammlungszeitperiode einer variablen Absaugladungsmenge, welche zu einem aktuellen Stapelbetriebszustand korrespondiert, von einer Karte; Berechnen einer Ladungsmenge für eine Zeitperiode gleich der Ansammlungszeitperiode unter Verwendung einer vorgegebenen Referenzabsaugladungsmenge und Ausführen einer Ansammlung durch Ansammeln der berechneten Ladungsmenge in jeder Ansammlungszeitperiode; und Bestimmung einer Öffnungszeit eines Wasserstoffabsaugventils durch Vergleichen der angesammelten Ladungsmenge mit der Referenzabsaugladungsmenge, und Öffnen des Wasserstoffabsaugventils zur Öffnungszeit.
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Folglich kann in der Wasserstoffabsaugvorrichtung und dem -verfahren für das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung das Öffnen/Schließen des Wasserstoffabsaugventils variabel gesteuert werden, basierend auf einer Absaugladungsmenge abhängig von einem Betriebszustand der Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem, zum Verbessern des Wasserstoffnutzfaktors der Brennstoffzelle, der Systemeffizienz, der Wasserstoffrückführungsleistung und Ähnlichem.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die oberen und weitere Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden jetzt im Detail mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben, illustriert in den begleitenden Zeichnungen, welche unten lediglich zur Illustration gegeben sind, beschrieben, und sind daher nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung, und wobei:
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1 ein beispielhaftes schematisches Diagramm zur Illustration eines allgemeinen Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik ist;
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2 ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Absaugzeitperiode und einer Wasserstoffkonzentration des Anodenausgangs eines Stapels basierend auf einer festen Ladungsmenge gemäß dem Stand der Technik ist;
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3 ein beispielhafter Graph zur Illustration eines stöchiometrischen Verhältnisses (SR) von Wasserstoff und einer Wasserstoffkonzentration des Anodenausgangs des Stapels basierend auf einer Betriebstemperatur des Stapels gemäß dem Stand der Technik ist;
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4 ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Überkreuzungsmenge von Wasserstoff basierend auf einem Betriebsdruck des Stapels gemäß dem Stand der Technik ist;
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5 ein beispielhaftes Blockschaltbild zum Illustrieren der Konfiguration einer Wasserstoffabsaugvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Illustration eines Wasserstoffabsaugverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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7 ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Langlebigkeitsleistung-Reduktionsrate eines Stapels basierend auf einer Ausgangswasserstoffkonzentration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
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8 ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Absaugladungsmenge und einer Ausgangswasserstoffkonzentration für jedes Stromgebiet basierend auf einer Absaugladungsmenge-Steuerungsbedingung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
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9 ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Wasserstoffkonzentration und eines SR von Wasserstoff für jede Absaugladungsmenge basierend auf einer Betriebstemperatur des Stapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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Es sollte verstanden sein, dass die angehängten Zeichnungen nicht notwendig der Skalierung entsprechen, eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen Eigenschaften zeigen, welche die grundlegenden Prinzipien der Erfindung zeigen. Die spezifischen Design-Eigenschaften der vorliegenden Erfindung wie hierin offenbart, einschließlich beispielsweise spezifische Dimensionen, Orientierungen, Positionen und Formen werden zum Teil durch die spezifisch vorgesehene Anwendung und Gebrauchsumgebung festgesetzt. In den Figuren beziehen sich Bezugszahlen auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung bei den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder andere ähnliche Ausdrücke, wie hierbei verwendet, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen einschließen, wie etwa Personenkraftfahrzeuge, einschließlich Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene gewerbliche Fahrzeuge, Wasserkraftfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere alternative Brennstofffahrzeuge (beispielsweise Brennstoffe, welche aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfassen. Wie hierin verwendet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, beispielsweise sowohl mit Benzin also auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
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Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform so beschrieben ist, dass sie eine Vielzahl von Einheiten verwendet, um das beispielhaften Verfahren auszuführen, versteht sich, dass die beispielhaften Verfahren ebenfalls von einer oder einer Vielzahl von Modulen ausgeführt werden können. Zusätzlich versteht sich, dass der Ausdruck Steuerung/Steuerungseinheit sich auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, welche einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist zum Speichern der Module konfiguriert und der Prozessor ist spezifisch zum Ausführen genannter Module zum Ausführen von einem oder mehreren Verfahren, welche unten weiter beschrieben sind, konfiguriert.
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Darüber hinaus kann die Kontrolllogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige, computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, welches ausführbare Programmanweisungen, welche von einem Prozessor, einer Steuerung/Steuerungseinheit oder dergleichen ausgeführt werden, enthält. Beispiele des computerlesbaren Mediums umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, ROM, RAM, Compact Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, Speichersticks, Speicherkarten und optische Datenspeicherungsvorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in über ein Netzwerk verknüpften Computersystemen verteilt werden, sodass die computerlesbaren Medien in einer verteilten Weise gespeichert und ausgeführt werden, beispielsweise durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zwecke der Beschreibung von speziellen Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”ein”, ”eine” und ”der/die/das” ebenfalls die Pluralformen umfassen, außer wenn es der Kontext klar anders anzeigt. Darüber hinaus versteht sich, dass die Ausdrücke ”umfasst” und/oder ”umfassend”, wenn sie in dieser Spezifizierung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifiziert, jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen derselben ausschließt. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgelisteten Elemente.
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Insofern es nicht explizit angegeben oder aus dem Kontext offensichtlich ist, wie hierbei verwendet, versteht sich der Ausdruck „etwa” als innerhalb eines Bereichs der normalen Toleranz der Technik, beispielsweise innerhalb zweier Standardabweichungen vom Mittel. „Etwa” kann verstanden werden als innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Wertes. Insofern es nicht andernfalls aus dem Kontext klar ist, werden alle numerischen Werte, die im Folgenden bereitgestellt werden, durch den Ausdruck „etwa” modifiziert.
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Im Folgenden werden im Detail verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erwähnt, Beispiele, welche in den beiliegenden Zeichnungen illustriert sind und unten beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, versteht sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegensatz soll die vorliegende Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen umfassen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche im Geist und Umfang der Erfindung wie in den angehängten Ansprüchen definiert enthalten sind.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Wasserstoffabsaugvorrichtung und ein -verfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit, in welchem die Öffnung/das Schließen eines Wasserstoffabsaugventils basierend auf einer Absaugladungsmenge abhängig von einem Betriebszustand einer Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem variabel gesteuert werden kann, um den Wasserstoffnutzfaktor der Brennstoffzelle, die Systemeffizienz, die Wasserstoffrückführungsleistung und Ähnliches zu verbessern.
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5 ist ein beispielhaftes Blockschaltbild zum Illustrieren der Konfiguration einer Wasserstoffabsaugvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm zum Illustrieren eines Wasserstoffabsaugverfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 ist ein beispielhafter Graph zum Illustrieren einer Langlebigkeitsleistung-Reduktionsrate eines Stapels basierend auf einer Wasserstoffkonzentration eines Anodenausgangs (im Folgenden bezeichnet als „Ausgangswasserstoffkonzentration”) in einem Brennstoffzellenstapel.
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Zuerst kann, wie in 5 gezeigt, die Wasserstoffabsaugvorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen: Betriebszustandsdetektoren 1 und 2 konfiguriert zum Detektieren in Echtzeit eines Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels, eine Steuervorrichtung 3 konfiguriert zum Bestimmen einer Öffnungszeit eines Wasserstoffabsaugventils basierend auf Information, die den von dem Betriebszustandsdetektor detektierten Betriebszustand betreffen, und zum Ausgeben eines Steuersignals zum Öffnen des Wasserstoffabsaugventils, und wenn das Wasserstoffabsaugventil 4 geöffnet ist, zum Durchführen des Wasserstoffabsaugens des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere kann der Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels eine Stapelbetriebstemperatur und ein Stapelstrom sein, und der Stapelbetriebsdruck kann anstatt der Stapelbetriebstemperatur verwendet werden.
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Die Betriebszustandsdetektoren (zum Beispiel Sensoren) können daher ein Betriebstemperaturdetektor 1 und ein Stapelstromdetektor 2 sein. Alternativ können die Betriebszustandsdetektoren ein Betriebsdruckdetektor und der Stapelstromdetektor sein. Der Betriebstemperaturdetektor 1 kann ein Sensor sein konfiguriert zum Detektieren einer Stapeltemperatur. Spezifischer kann der Betriebstemperaturdetektor 1 ein Temperatursensor sein konfiguriert zum Detektieren einer Kühlwassertemperatur eines Stapeleingangs oder Stapelausgangs (zum Beispiel Abgas). Der Betriebsdruckdetektor kann ein Drucksensor sein konfiguriert zum Detektieren eines Betriebsdrucks des Stapels und der Stapelstromdetektor 2 kann ein Stromsensor sein.
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Wie im Stand der Technik bekannt, kann die Steuervorrichtung 3, zum Betreiben des Brennstoffzellensystems konfiguriert sein, das heißt die Brennstoffzellensystem-Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Empfangen in Echtzeit eines aktuellen Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels, zum Beispiel Information betreffend einen Stapelstrom, eine Stapelbetriebstemperatur, einen Stapelbetriebsdruck oder Ähnliches durch Sensoren, und zum Betreiben von Vorrichtungen in verschiedenen Arten von Systemen, unter Verwendung von den erhaltenen Betriebszustands betreffenden Informationen als Eingangsvariable.
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In der vorliegenden Erfindung kann die Steuervorrichtung 3 zum Durchführen eines Wasserstoffabsaugbetriebs konfiguriert sein, das heißt ein Betrieb des Wasserstoffabsaugventils 4 unter Verwendung von Information betreffend einen in Echtzeit während des Betriebs des Brennstoffzellensystems und des Brennstoffzellenstapels erhaltenen Betriebszustandes. Mit Bezug auf 6 ist ein Absaugverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein Verfahren des Betriebs des Wasserstoffabsaugventils basierend auf einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels illustriert. Die Brennstoffzellensystem-Steuervorrichtung kann konfiguriert sein zum Empfangen und Überwachen von Information betreffend einen Betriebszustand, wie eine Stapelbetriebstemperatur und ein Stapelstrom, detektiert in Echtzeit von den Betriebszustandsdetektoren während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels.
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Insbesondere kann der Stapelbetriebsdruck als Stapelbetriebszustand anstelle der Stapelbetriebstemperatur verwendet werden. Die Steuervorrichtung 3 kann zum Durchführen einer Aktualisierung konfiguriert sein durch Empfangen in jeder Ansammlungszeitperiode (zum Beispiel 100 ms) einer variablen Absaugladungsmenge basierend auf der Stapelbetriebstemperatur und dem Stapelstrom, in Echtzeit von Kartendateninformationen empfangen, und reflektiert die empfangene variable Absaugladungsmenge in Stromansammlung wie folgt. In anderen Worten kann die Steuervorrichtung 3 konfiguriert sein zum Berechnen in jeder Ansammlungszeitperiode einer Ladungsmenge (zum Beispiel einer Strommenge) für eine Zeit, welche der Ansammlungszeitperiode entspricht, unter Verwendung der erhaltenen variablen Absaugladungsmenge, des Stapelstroms und einer vorgegebenen Referenzabsaugladungsmenge unter Verwendung eines vorgegebenen Berechnungsausdrucks, und zum Ansammeln der berechneten Ladungsmenge in jeder Ansammlungszeitperiode.
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Die Steuervorrichtung 3 kann darüber hinaus konfiguriert sein zum Öffnen des Wasserstoffabsaugventils 4 durch Drehen des Wasserstoffabsaugventils 4, wenn der Ladungsmengen-Ansammlungswert größer ist als die Referenzabsaugladungsmenge durch Vergleichen des Ansammlungswerts mit der Referenzabsaugladungsmenge, und dann zum Initialisieren der Ladungsmenge (Q). Wenn die Ansammlungsmenge kleiner ist als die Referenzabsaugladungsmenge, können die Ladungsmengenberechnung und -ansammlung fortgeführt werden, und das Wasserstoffabsaugventil kann geöffnet werden, wenn der Ansammlungswert größer ist als die Referenzabsaugladungsmenge. Insbesondere kann die Öffnungszeit des Wasserstoffabsaugventils eine im Voraus festgesetzte vorgegebene Zeit oder eine basierend auf dem Stapelstrom bestimmte Zeit sein. Das Wasserstoffabsaugen und das Steuerverfahren desselben können wiederholt durchgeführt werden während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels.
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In der Zwischenzeit kann die Referenzabsaugladungsmenge ein Wert sein, welcher durch einen vorherigen wiederholt im Brennstoffzellensystem durchgeführten Test erhalten wurde. Die Referenzabsaugladungsmenge kann im Voraus ausgewählt werden als ein Wert, welcher eine Wasserstoffausgangskonzentration oder ein Wasserstoff-SR erfüllt, bestimmt durch Berücksichtigen einer Langlebigkeitsleistung des Brennstoffzellenstapels, und kann Ermöglichen, dass das System betrieben wird. Im Steuerverfahren kann die variable Absaugladungsmenge, welche in der Ladungsmengenberechnung verwendet wird, von der Stapelbetriebstemperatur (oder dem Stapelbetriebsdruck), welche Information bezüglich eines Echtzeitbetriebszustandes des Brennstoffzellenstapels während dem Fahren des Fahrzeugs ist, unter Verwendung von in der Steuervorrichtung gespeicherten Kartendateninformation, erhalten werden.
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Die Kartendaten werden im Detail beschrieben. Die Kartendaten können gebildet werden durch Abbilden der variablen Absaugladungsmenge basierend auf einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels, das heißt der Stapelbetriebstemperatur (Stapelbetriebsdruck) und des Stapelstroms. Insbesondere kann eine variable Absaugladungsmenge für jede Betriebsbedingung durch einen wiederholt im Brennstoffzellensystem durchgeführten vorherigen Test erhalten werden. Zusätzlich kann eine Wasserstoffabsaugladungsmenge ausgewählt und verwendet werden, welche eine Ausgangswasserstoffkonzentration oder ein Wasserstoff-SR sicherstellt, welche die maximale Langlebigkeitsleistung des Stapels für jede Betriebsbedingung (Stapelbetriebstemperatur oder Stapelbetriebsdruck und Stapelstrom) des Brennstoffzellenstapels darstellt.
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8 ist ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Absaugladungsmenge und einer Ausgangswasserstoffkonzentration für jedes Stromgebiet basierend auf einer Absaugladungsmengen-Steuerbedingung. 9 ist ein beispielhafter Graph zur Illustration einer Wasserstoffkonzentration und eines SR von Wasserstoff für jede Absaugladungsmenge basierend auf einer Betriebstemperatur des Stapels.
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Wie oben beschrieben kann ein Unterschied in der Ausgangswasserstoffkonzentration und im Wasserstoff-SR basierend auf einem Betriebszustand des Stapels, das heißt Stapelstrom und Stapelbetriebstemperatur wie in 2 und 3 gezeigt auftreten. Wenn die Absaugladungsmenge in der gleichen Ausgangswasserstoffkonzentration basierend auf einem Stromgebiet eingestellt wird, kann die Absaugladungsmenge anwachsen, wenn der Stapelstrom, wie in 8 gezeigt, anwächst. Als ein Ergebnis kann der Wasserstoffnutzfaktor durch Reduzieren der Absaugladungsmenge ansteigen.
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Wie in 9 gezeigt kann, wenn die Stapelbetriebstemperatur um einen vorgegebenen Wert (zum Beispiel etwa +20°C/–20°C) im Vergleich zu einer Referenztemperatur ansteigt oder abnimmt, die Ausgangswasserstoffkonzentration (das heißt die Abgaswasserstoffkonzentration) und das Wasserstoff-SR im Vergleich zur Referenztemperatur ansteigen, selbst wenn die Absaugladungsmenge im Vergleich zur Referenzabsaugladungsmenge bei der Referenztemperatur ansteigt. Zusätzlich kann das Wasserstoff-SR durch Abnehmen eines Gas-Teildrucks ansteigen, selbst wenn die Ausgangswasserstoffkonzentration erheblich niedrig ist.
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Folglich kann die Abluftladungsmenge zur Ausgangswasserstoffkonzentration und zum Wasserstoff-SR beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen. Daher kann die optimale Abluftladungsmenge für jeden Betriebszustand (zum Beispiel Stapelbetriebstemperatur oder Stapelbetriebsdruck und Stapelstrom) ausgewählt werden und basierend auf der Ausgangswasserstoffkonzentration oder dem Wasserstoff-SR, welche die Langlebigkeitsleistung durch den vorherigen Test erfüllen, abgebildet werden, bei der Bildung von Kartendaten zum Bestimmen der Abluftladungsmenge.
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Mit Bezug auf 9 tritt dort im Vergleich der Stapelleistungs-Reduktionsrate mit der Wasserstoffkonzentration ein Gebiet auf, in welchem die Leistung sich basierend auf einer Ausgangswasserstoffkonzentration rapide verschlechtert. Basierend auf diesem Resultat, kann der Wendepunkt eines Leistungsgraphen ausgewählt werden als Referenzwert der Ausgangswasserstoffkonzentration. Eine variable Absaugladungsmenge, welche den Referenzwert der Ausgangswasserstoffkonzentration erfüllt, kann von jeder Betriebsbedingung abgeleitet werden und die abgeleiteten Referenzwerte können verwendet werden, um die Kartendaten zu bilden.
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Beispielsweise kann eine Wasserstoffabsaugladungsmenge von etwa 4000 C, welches eine Bedingung ist, welche eine Stapelbetriebstemperatur von etwa 60°C, ein Stapelstrom von etwa 50 A und eine Ausgangswasserstoffkonzentration von etwa 80% in einem Fahrzeug als eine Stapelbetriebsreferenz erfüllen, als eine Referenzabsaugladungsmenge festgesetzt werden. Gemäß der oben beschriebenen Kartendaten kann als Resultat eine Aktualisierung ausgeführt werden durch Empfangen in Echtzeit einer variablen Absaugladungsmenge, welche zu einem in Echtzeit überwachten Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels korrespondiert, das heißt einer aktuellen Stapelbetriebstemperatur (oder Stapelbetriebsdruck) und eines Stapelstroms, und die aktualisierte variable Absaugladungsmenge kann in der Stromansammlung widergespiegelt werden.
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Der Ladungsmengen-Ansammlungsvorgang im Steuervorgang der 6 wird im Detail beschrieben. Die Steuervorrichtung kann konfiguriert werden zum Berechnen einer Ladungsmenge unter Verwendung der variablen Absaugladungsmenge, erhalten von den Kartendaten. Insbesondere kann die Ladungsmenge von dem folgenden Berechnungsausdruck erhalten werden, unter Verwendung des Stapelstroms, der variablen Absaugladungsmenge, der Referenzabsaugladungsmenge und der Ansammlungszeitperiode (zum Beispiel 100 Millisekunden). Ladungsmenge = Strom (A)·Zeit (s) der Ansammlungszeitperiode·a(C) /b(C) wobei a eine Referenzabsaugladungsmenge darstellt, b eine variable Absaugladungsmenge darstellt und a/b einen variablen Absaugfaktor darstellt. Wenn zum Beispiel die Referenzabsaugladungsmenge ungefähr gleich 4000 C ist, wenn die Ansammlungszeitperiode auf ungefähr 100 Millisekunden festgesetzt ist, wie in 7 gezeigt, und die Stapeltemperatur, der Stapelstrom und die variable Ladungsmenge jeweils als etwa 70°C, 100 A und 8000 C von den Kartendaten erhalten wurden, kann die Ladungsmenge gleich (C) = 100 A·0,1 s·(4000/8000) = 5 sein.
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Die Ansammlung kann durch Ansammeln in Echtzeit von Ladungsmengen, welche in jeder Ansammlungszeitperiode wie oben beschrieben berechnet wurden, durchgeführt werden, und der Ansammlungswert kann dann mit der Referenzabsaugladungsmenge verglichen werden. Wenn die Ansammlung größer ist als die Referenzabsaugladungsmenge, kann das Wasserstoffabsaugventil angeschaltet werden, wodurch variable Wasserstoffabsaug-Steuerung ausgeführt wird. Die Ansammlung der Ladungsmengen wird wie folgt ausgedrückt. Ansammlungswert = Σ(Strom·Ansammlungszeit·a/b)
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Wie oben beschrieben kann gemäß der Wasserstoffabsaugvorrichtung und dem -verfahren der vorliegenden Erfindung das Öffnen des Wasserstoffabsaugventils unter Verwendung einer Absaugladungsmenge, variiert basierend auf einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels, ausgeführt werden, um den Wasserstoffnutzfaktor der Brennstoffzelle und die Effizienz des Brennstoffzellensystems im Vergleich zum Stand der Technik, in welcher die Absaugladungsmenge festgehalten wird, zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben beschrieben. Jedoch wird vom Fachmann festgestellt, dass Änderungen in diesen beispielhaften Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den angehängten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Inaba et al./Electrochimica Acta 51 (2006) 5746–5753 [0012]
