DE102015221840A1

DE102015221840A1 - Betriebssteuerverfahren und System einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015221840A1
Application number: DE102015221840.6A
Authority: DE
Inventors: Hoon Hui Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2016-10-06
Also published as: US20160293983A1; KR101673754B1; US10340541B2; KR20160116498A

Abstract

Ein Betriebssteuerverfahren und ein System für eine Brennstoffzelle (einen Stapel) sind vorgesehen und erweitern das Betriebsfeld der Brennstoffzelle in einem elektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzelle und stellen eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten des Fahrzeugs sicher. In einem Betriebssteuerverfahren für eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit, wobei ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator zu der Anodenelektrode hinzugefügt ist, wird eine Zellenspannung der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs der Brennstoffzelle überwacht. Die überwachte Zellenspannung der Brennstoffzelle wird mit einer ersten Sollspannung verglichen. Wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, wird ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit in einer Zelle der Brennstoffzelle ausgeführt.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebssteuerverfahren einer Brennstoffzelle, und insbesondere betrifft sie ein Betriebssteuerverfahren einer Brennstoffzelle, welches das Anwendungsgebiet bzw. Betriebsfeld der Brennstoffzelle in einem elektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzelle erweitert und eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten des Fahrzeugs sicherstellt.
(b) Hintergrund der Erfindung
Eine Brennstoffzelle ist eine Art von Energieerzeugungseinrichtung, die eine chemische Energie eines Brennstoffs/Kraftstoffs durch eine Verbrennung nicht in Wärme umwandelt, sondern die chemische Energie durch eine elektrochemische Reaktion innerhalb eines Stapels in elektrische Energie umwandelt. Brennstoffzellen werden verwendet, um elektrische Energie für ein kleines elektrisches/elektronisches Produkt, insbesondere eine tragbare Einrichtung, bereitzustellen und außerdem eine elektrische Energie für die Industrie, im Haushaltsbereich und zum Antrieb von Fahrzeugen bereitzustellen. Von den Brennstoffzellen wird gegenwärtig als eine Energieversorgungsquelle zum Antrieb von Fahrzeugen eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC), die auch als eine Proton-Austausch-Membran-Brennstoffzelle bekannt ist, verwendet.
Die PEMFC hat Eigenschaften einer niedrigen Betriebstemperatur, eines hohen Wirkungsgrads, einer hohen Stromdichte und Ausgangsdichte, einer kurzen Startzeit und eines schnellen Ansprechverhaltens auf eine Laständerung hin, im Vergleich mit anderen Arten von Brennstoffzellen. Somit kann die PEMFC weitläufig als eine Energiequelle für Fahrzeuge oder tragbare Einrichtungen verwendet werden.
Die PEMFC umfasst einen Membran-Elektroden-Aufbau (MEA), bei dem Katalysator-Elektrodenschichten, die elektrochemische Reaktionen verursachen, an beiden Seiten einer Polymer-Elektrolyt-Membran angebracht sind, durch die sich Wasserstoffionen bewegen, eine Gasdiffusionsschicht (GLD), die Reaktionsgase gleichförmig verteilt und eine erzeugte elektrische Energie transferiert, eine Dichtung und einen Kopplungsmechanismus zum Aufrechterhalten einer Luftabdichtung der Reaktionsgase und eines Kühlmittels und eines geeigneten Kopplungsdrucks, und eine bipolare Platte, die die Reaktionsgase und das Kühlmittel bewegt.
Ein Brennstoffzellensystem, welches für elektrische Fahrzeuge mit Brennstoffzelle angewendet wird, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der konfiguriert ist, um durch eine elektrochemische Reaktion von Reaktionsgasen (z. B. Wasserstoff als einen Brennstoff und Sauerstoff als ein Oxidationsmittel) elektrische Energie zu erzeugen, eine Wasserstoffzuführungseinrichtung, die konfiguriert ist, um Wasserstoff als einen Brennstoff an den Brennstoffzellenstapel zu führen, eine Luftzuführungseinrichtung, die konfiguriert ist, um Luft mit Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel zu führen, ein Wärme- und Wasserverwaltungssystem, welches konfiguriert ist, um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels einzustellen und eine Wasserverwaltungsfunktion auszuführen, und einen Brennstoffzellen-Controller, der konfiguriert ist, um das Brennstoffzellensystem zu betreiben.
In einem typischen Brennstoffzellensystem umfasst eine Wasserstoff-Zuführungseinrichtung einen Wasserstoffspeicher (z. B. Wasserstofftank), einen Regulator, ein Wasserstoff-Drucksteuerventil, eine Wasserstoff-Rückführungseinrichtung und dergleichen. Eine Luftzuführungseinrichtung umfasst ein Luftgebläse, einen Befeuchter und dergleichen. Ein Wärme- und Wasserverwaltungssystem umfasst eine Kühlpumpe, einen Wassertank, einen Strahler und dergleichen.
Brennstoffzellen weisen zudem Charakteristiken auf, dass ein optimales Betriebsverhalten in dem Bereich einer spezifischen Zellentemperatur und einer relativen Feuchtigkeit des Zuführungsgases auftritt. Für eine PEMFC ist der Betrieb in einem Temperaturbereich von 0 bis 80°C möglich, aber ihre Ausgangs-Leistungsfähigkeit ist auf eine geeignete Betriebstemperatur oder weniger beschränkt. Wenn die Brennstoffzelle als eine Energieversorgungsquelle eines Fahrzeugs verwendet wird, gibt es eine Beschränkung hinsichtlich der Erfüllung eines ausreichenden hohen Betriebsverhaltens, welches bei der Beschleunigung benötigt wird, wenn die Betriebstemperatur in der anfänglichen Stufe beim Starten relativ niedrig ist. Insbesondere dann, wenn eine verbleibende Wasserformation in einer Zelle der Brennstoffzelle existiert, wenn das Fahrzeug verlassen wird, nachdem ein Startvorgang des Fahrzeugs gestoppt ist, kann der Zugriff auf Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) zu einem Reaktionsabschnitt der Zelle als Folge der verbleibenden Wasserformation beim Starten des Fahrzeugs beschränkt sein.
Insbesondere dann, wenn ein Stromausgang kontinuierlich angefordert wird, um Energie an das Fahrzeug zu liefern, wird eine beträchtliche Last an die Zelle der Brennstoffzelle angelegt, und deshalb kann sich das Betriebsverhalten verschlechtern. Wenn die Zuführung von Wasserstoff an eine Anodenelektrode unzulänglich ist, dann steigt das Potenzial der Anodenelektrode schnell an, und deshalb kann eine spezifische Zellenspannung einen ”–”-Wert aufweisen, d. h. einen negativen Wert. Mit anderen Worten, eine Umkehrspannung kann erzeugt werden. Demzufolge werden in einem elektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzelle ein Brennstoffzellensystem und das Fahrzeug in einer derartigen Weise betrieben, dass eine Zelle einer Brennstoffzelle durch Ausführen einer Strombegrenzung zum künstlichen Beschränken eines Ausgangsstroms geschützt wird, wenn die Zellenspannung der Brennstoffzelle niedriger als eine Sollspannung der Zellenspannung überwacht wird.
1 ist ein Flussdiagramm, welches einen herkömmlichen Prozess zum Ausführen einer Strombegrenzung gemäß des verwandten Sachstandes darstellt. Während eines normalen Betriebs einer Brennstoffzelle (z. B. während eines Betriebs ohne Fehler) (S1) ist ein Controller konfiguriert, um eine Zellenspannung zu überwachen (S2). Wenn die Zellenspannung niedriger als ein Sollwert ist, dann wird eine Strombegrenzung ausgeführt (S3 und S4). Dies ist eine Steuerstrategie, die im Hinblick auf eine Sicherstellung der Haltbarkeit benötigt wird, indem eine Zelle der Brennstoffzelle geschützt wird. Jedoch kann sich die Vermarktung eines Fahrzeugs als Folge der unzureichenden Leistung des Fahrzeugs in der anfänglichen Stufe beim Starten, insbesondere beim Starten mit niedrigen Temperaturen, verschlechtern.
Zusätzlich sollte ein Prozess zum Entfernen der Feuchtigkeit durch starkes Betreiben eines Luftgebläses ausgeführt werden, um die Wasserformation in der Zelle zu entfernen, nachdem ein Starten des Fahrzeugs gestoppt wird, was die Erzeugung von Geräuschen verursacht, wenn das Starten des Fahrzeugs gestoppt wird. Ein übliches Verfahren in dem verwandten Sachstand offenbart eine Technik zum Hinzufügen eines Sauerstoff-Evolutions-Katalysators (OEC) (Wasser-Elektrolyse-Katalysator) zu einem Anodenelektroden-Katalysator für eine Wasserstoff-Oxidations-Reaktion, um eine Kohlenstoffkorrosion einer Anodenelektrode zu verhindern und die Anodenelektrode vor der Erzeugung einer Umkehrspannung zu schützen.
Jedoch konzentriert sich die Hinzufügung des OEC auf die Sicherheit einer Haltbarkeit im Hinblick auf das Material einer Elektrode. Deshalb ist bislang keine Betriebssteuerstrategie vorgeschlagen worden, um das Anwendungsgebiet bzw. Betriebsfeld einer Brennstoffzelle zu erweitern oder eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten in einem Fahrzeug mit der Brennstoffzelle mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Umkehrspannung, auf die die entsprechende Elektrode angewendet wird, zu erweitern.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Betriebssteuerverfahren einer Brennstoffzelle bereit, die das Betriebsfeld der Brennstoffzelle in einem elektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzelle erweitern und eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten des Fahrzeugs sicherstellen kann.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Betriebssteuerverfahren einer Brennstoffzelle mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen bereit, wobei ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator zu einer Anodenelektrode hinzugefügt wird, wobei das Betriebssteuerverfahren die folgenden Schritte umfassen kann: Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs der Brennstoffzelle; Vergleichen der überwachten Zellenspannung der Brennstoffzelle mit einer ersten Sollspannung; und wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abfällt, Ausführen eines Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozesses zum Erhöhen der Feuchtigkeit in einer Zelle der Brennstoffzelle.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die erste Sollspannung als eine Schwellenspannung eingestellt werden, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung möglich ist. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit der Zelle der Brennstoffzelle entweder als Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und/oder als ein Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit von Luft, die an die Brennstoffzelle geführt wird, ausgeführt werden.
In einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abfällt, kann der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle zuerst ausgeführt werden und, im Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Zellenspannung kontinuierlich verkleinert wird, kann der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft ausgeführt werden. Wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, kann zudem der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Verkleinern der Temperatur der Zelle und der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft gleichzeitig ausgeführt werden.
Das Betriebssteuerverfahren kann ferner ein Vergleichen der Zellenspannung der Brennstoffzelle mit einer zweiten Sollspannung, die als eine Schwellenspannung für eine Strombegrenzung während der Ausführung des Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozesses zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelle eingestellt wird, umfassen; und wenn die Zellenspannung niedriger als die zweite Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abfällt, dann wird eine Strombegrenzung zum Begrenzen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle ausgeführt.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle ein Erhöhen der Drehfrequenz einer Kühlmittelpumpe umfassen, um den Flusspfad eines Kühlmittels im Vergleich mit demjenigen bei dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle, die bei einer Zellenspannung größer als die erste Sollspannung oder mehr betrieben wird, zu erhöhen. Der Brennstoffzellenbetriebs-Steuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft kann zudem das Betreiben eines Erwärmers zum Erhöhen der Temperatur der Luft von einem Luftgebläse an einen Befeuchter umfassen.
Gemäß des Betriebssteuerverfahrens der vorliegenden Erfindung kann ein Steuerprozess, der zur Sicherstellung einer Feuchtigkeit in der Zelle ausgeführt wird, zusätzlich unter einer Betriebsbedingung durchgeführt werden, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung während eines Betriebs der Brennstoffzelle, die eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen aufweist (ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator ist zu der Anodenelektrode hinzugefügt), möglich ist, so dass es möglich ist, das Anwendungsgebiet bzw. Betriebsfeld der Brennstoffzelle zu erweitern, einen Bereich von Energien, die in einem elektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzelle verfügbar sind, zu erweitern und eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten des Fahrzeugs sicherzustellen und die Vermarktungsfähigkeit des Fahrzeugs zu verbessern.
Ferner kann die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle betrieben werden, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen weiter zu verbessern. Somit ist es möglich, die Haltbarkeit der Anodenelektrode der Brennstoffzelle zu verbessern, die Lebensdauer der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs mit dieser zu verbessern, um eine Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle als eine Fahrzeugenergiequelle zu verbessern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und anderen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun eingehend unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon, die in den beiliegenden Zeichnungen illustriert sind, wobei diese nachstehend nur zur Illustration angegeben sind, beschrieben und sind somit für die vorliegende Erfindung nicht beschränkend. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Flussdiagramm, das einen herkömmlichen Prozess zum Ausführen einer Strombegrenzung in Übereinstimmung mit dem verwandten Sachstand darstellt;
2 und 3 graphische Darstellungen, die Ergebnisse zeigen, die durch Auswerten von Charakteristiken einer Brennstoffzelle mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen erhalten werden, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Flussdiagramm, das ein Betriebssteuerverfahren einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise im Maßstab sind, wobei sie eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen beispielhaften Merkmalen darstellen, die für die Grundprinzipien der Erfindung illustrativ sind. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, so wie sie hier offenbart sind, einschließlich zum Beispiel spezifischer Dimensionen, Orientierungen, Orte und Formen, werden teilweise durch die besondere beabsichtigte Anwendung und die Verwendungsumgebung bestimmt. In den Figuren bezeichnen Bezugszeichen die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den mehreren Figuren der Zeichnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”fahrzeuggebunden” oder irgendein anderer ähnlicher Ausdruck, so wie er hier verwendet wird, Motorfahrzeuge im Allgemeinen einschließt, wie beispielsweise Personenkraftfahrzeuge einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Bussen, Lastwägen, verschiedenen kommerziellen Fahrzeugen, Wasserfahrzeugen einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeugen und dergleichen, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-hybride elektrische Fahrzeuge, Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativem Brennstoff (z. B. Brennstoffe, die von anderen Ressourcen außer Öl abgeleitet sind) umfasst. Wie hier verwendet, ist ein hybrides Fahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Energiequellen aufweist, zum Beispiel Fahrzeuge mit sowohl einem Benzinantrieb als auch einem elektrischen Antrieb.
Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform so beschrieben wird, dass sie eine Vielzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess auszuführen, sei darauf hingewiesen, dass die beispielhaften Prozesse auch durch eines oder eine Vielzahl von Modulen ausgeführt werden kann. Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass der Ausdruck Controller/Steuereinheit sich auf eine Hardware-Einrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist konfiguriert, um die Module zu speichern und der Prozessor ist spezifisch konfiguriert, um die Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse auszuführen, die nachstehend weiter beschrieben werden.
Ferner kann eine Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nicht-flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium, welches ausführbare Programmbefehle enthält, die von einem Prozessor, einem Controller/einer Steuereinheit und dergleichen ausgeführt werden, umgesetzt werden. Beispiele von computerlesbaren Medien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf ROM, RAM, Compact Disc-(CD-)ROMS, Magnetbänder, Floppy Disks, Flash Drives, Smartcards und optische Datenspeichereinrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in Computersystemen, die über ein Netz gekoppelt sind, verteilt sein, so dass die computerlesbaren Medien in einer verteilten Weise gespeichert und ausgeführt werden, z. B. durch einen Telematics-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Die hier verwendete Terminologie dient nur dem Zweck einer Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen und ist nicht für eine Beschränkung der Erfindung gedacht. Wie hier verwendet, werden die singularen Formen ”ein”, ”eine”, ”eines” und ”der”, ”die”, das” so verstanden, dass sie auch den Plural umfassen, außer wenn sich dies explizit anders aus dem Kontext ergibt. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke ”umfasst” und/oder ”umfassend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung von ein oder mehreren anderen Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hier verwendet, umfasst ”und/oder” irgendwelche und sämtliche Kombinationen von ein oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte.
Außer wenn dies spezifisch angegeben ist oder sich aus dem Kontext ergibt, bedeutet der Ausdruck ”ungefähr”, so wie er hier verwendet wird, dass er innerhalb eines Bereiches einer normalen Toleranz in dem technischen Gebiet ist, zum Beispiel innerhalb von 2 Standardabweichungen des Mittelwerts. ”Ungefähr” lässt sich als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts verstehen. Außer wenn dies ansonsten klar aus dem Kontext entnehmbar ist, sind sämtliche numerischen Werte, die hier angegeben sind, mit dem Ausdruck ”ungefähr” modifiziert.
Nachstehend wird ausführlich auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt und nachstehend beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Beschreibung nicht zur Beschränkung der Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen gedacht ist. Im Gegenteil, die Erfindung soll nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, die in den Grundgedanken und den Umfang der Erfindung, so wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallen können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Betriebssteuerverfahren für eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen (z. B. ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator ist zu einer Anodenelektrode hinzugefügt) bereit, bei der, wenn eine Zuführung von Wasserstoff unzureichend ist, Wasser, das in der Anodenelektrode existiert, zersetzt werden kann, um Protonen und Elektronen zu erzeugen und eine Kohlenstoffkorrosion der Anodenelektrode zu verhindern. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Betriebssteuerverfahren für eine Brennstoffzelle (einen Stapel) mit einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen bereit, das das Betriebsfeld der Brennstoffzelle in einem elektrischen Fahrzeug mit Brennstoffzelle erweitern und eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten des Fahrzeugs sicherstellen kann.
Zunächst werden Charakteristiken einer Brennstoffzelle, die eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen aufweist, beschrieben, bevor das Betriebssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben wird. Charakteristiken der Brennstoffzelle, die eine verbesserte Widerstandfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen aufweist, bei der ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator (OEC) (z. B. ein Wasser-Elektrolyse-Katalysator) zu einem Anoden-Elektroden-Katalysator hinzugefügt wird, werden ausgewertet. Wasser in einer Menge, die benötigt wird, um eine Stromlast während eines Betriebs der Brennstoffzelle zu erfüllen, sollte sichergestellt werden.
Die 2 und 3 sind graphische Darstellungen, die Ergebnisse zeigen, die durch Auswertung der Charakteristiken der Brennstoffzelle, die die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen aufweist, erhalten werden. 2 zeigt Spannungsabfallraten (z. B. Spannungsabfallraten bei der Erzeugung von Umkehrspannungen, im Vergleich mit einem anfänglichen Zustand eines normalen Betriebs) auf Grundlage von Umkehrspannungs-Wartungszeiten, wenn die Erzeugung von Umkehrspannungen unter einer Bedingung simuliert wird, bei der ungefähr 0,2 A/cm² als ein Stromwert pro Einheitsfläche der Brennstoffzelle ausgegeben wird (z. B. befeuchtetes Stickstoffgas, anstelle von Wasserstoff, wird an die Anodenelektrode geführt). Insbesondere zeigt 2 im Vergleich Zustände, bei denen Umkehrspannungen auf Grundlage von relativen Feuchtigkeiten (RHs) von Gasen erzeugt werden, die an die Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode geführt werden.
Wie in 2 gezeigt, ändern sich in der Brennstoffzelle mit der verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Umkehrspannungen (OEC wird zu der Anodenelektrode hinzugefügt) der Erzeugungsgrad einer Umkehrspannung und der Grad einer Verhinderung einer Kohlenstoffkorrosion auf Grundlage von relativen Feuchtigkeiten der zugeführten Gase. Mit anderen Worten, wenn die relative Feuchtigkeit RH 100% ist, dann ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Kohlenstoffkorrosion größer als für den Fall, wenn die relative Feuchtigkeit RH 50% ist.
3 zeigt Zustände von Umkehrspannungen in Übereinstimmung mit relativen Feuchtigkeiten von Stickstoff (N₂) bzw. Luft, zugeführt an die Anoden- und Kathodenelektroden, wenn die Erzeugung von Umkehrspannungen simuliert wird. Bezug nehmend auf 3, kann in der Brennstoffzelle mit der verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit, wenn der Stickstoff (N₂) mit einer relativen Feuchtigkeit von 100% an die Anodenelektrode geführt wird und trockene Luft mit einer relativen Feuchtigkeit von 0% (z. B. die Luft wird vorbeigeleitet, ohne Durchleitung durch einen Befeuchter, und ist danach die gleiche) an die Kathodenelektrode geführt werden kann, ein plötzlicher Abfall der Zellenspannung auftreten.
Wenn zusätzlich trockener Stickstoff und trockene Luft jeweils mit der relativen Feuchtigkeit von 0% an die Anoden- bzw. Kathodenelektroden geliefert werden, kann eine Wasserelektrolysereaktion nicht aufrechterhalten werden, und deshalb kann die Zellenspannung weiter verringert werden. Wenn die relative Feuchtigkeit des Gases (Luft), das (die) an die Kathodenelektrode geführt wird, zunimmt (Stickstoff (N₂) mit RH 0% und Luft mit RH 100%/N₂ von RH 100% und Luft von RH 100%), dann kann die Wasserelektrolysereaktion, bei der Protonen und Elektronen durch die OEC der Anodenelektrode erzeugt werden, aufrechterhalten werden (z. B. die Zellenspannung kann aufrechterhalten werden).
In Übereinstimmung mit den Auswertungsergebnissen der 2 kann in der Brennstoffzelle mit der verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit die Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit weiter durch die Feuchtigkeit des an die Kathodenelektrode geführten Gases anstelle durch die Feuchtigkeit des an die Anodenelektrode geführten Gases (z. B. die Zellenspannung kann aufrechterhalten werden, wenn die Luft mit RH 100% zugeführt wird) beeinflusst werden. In der vorliegenden Erfindung wird ein Betriebssteuerverfahren für eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit, welches das Anwendungsgebiet der Brennstoffzelle erweitern kann und eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten eines Fahrzeugs sicherstellen kann, vorgeschlagen, und zwar auf Grundlage der Ergebnisse, die durch Auswertung der Charakteristiken der Brennstoffzelle erhalten werden.
Zunächst kann in dem Betriebssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Betriebsfeld der Brennstoffzelle durch Verringern des Pegels einer Zellenspannung (z. B. einer Strombegrenzungs-Sollspannung, die einer zweiten Sollspannung entspricht, die nachstehend beschrieben wird), bei der ein Strombegrenzungsmodus startet, erweitert werden.
Beispielsweise wurde in dem verwandten Sachstand eine Brennstoffzellen-(Stapel-)Strombegrenzung für einen Zellenschutz herkömmlicherweise ausgeführt, wenn die Zellenspannung niedriger als 0,6 V ist. In der vorliegenden Erfindung kann dann, wenn die Zellenspannung niedriger als 0,6 V ist (z. B. entsprechend zu einer ersten Sollspannung, die nachstehend beschrieben wird), in der Brennstoffzelle mit der verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit die Feuchtigkeit in einer Zelle erhöht werden, um eine Feuchtigkeit sicherzustellen, die bei der Wasserelektrolysereaktion benötigt wird, wodurch der Betrieb der Brennstoffzelle ohne Strombegrenzung aufrechterhalten werden kann. Wenn die Zellenspannung danach niedriger als eine neu eingestellte Spannung, z. B. ungefähr 0,1 V (z. B. entsprechend der zweiten Sollspannung, wie nachstehend beschrieben wird) ist, dann kann der Strombegrenzungsmodus beginnen.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Betriebssteuerverfahren der Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Verfahren, so wie es nachstehend beschrieben wird, kann von einem Controller mit einem Speicher und einem Prozessor ausgeführt werden. Zunächst kann, während eines normalen Betriebs einer Brennstoffzelle mit einer verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit (S11), ein Controller der Brennstoffzelle konfiguriert sein, um eine Zellenspannung der Brennstoffzelle unter Verwendung einer Zellenspannungs-Überwachungseinrichtung zu überwachen (S12).
Insbesondere kann die Zellenspannung mit einer ersten Sollspannung verglichen werden (S13). Wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, d. h., eine Schwellenspannung, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung möglich ist, kann eine Umkehrspannungssituation einer Anodenelektrode auftreten. Um eine Feuchtigkeit in einer Zelle sicherzustellen, kann ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess (S14) zum Verringern der Zellentemperatur eines Brennstoffzellenstapels und/oder ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess (S15) zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit RH von Luft, die an den Brennstoffzellenstapel geführt wird, ausgeführt werden.
Demzufolge kann ein Verfahren zum Erhöhen der Flussrate von Kühlmittel, welches durch den Brennstoffzellenstapel fließt, durch Erhöhen der Drehfrequenz einer Kühlmittelpumpe zum Zirkulieren des Kühlmittels in dem Brennstoffzellenstapel für das Verfahren zum Verringern der Zellentemperatur verwendet werden. Zusätzlich kann ein Verfahren zum Erhöhen der Temperatur von Luft, die von einem Luftgebläse an einen Befeuchter unter Verwendung eines Erwärmers in einer Luftzuführungsleitung zugeführt wird, für das Verfahren zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit von Luft verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zum Verringern der Zellentemperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder das Verfahren zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der Luft, die an den Brennstoffzellenstapel geführt wird, verwendet werden, um die relative Feuchtigkeit in der Zelle des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung während eines Betriebs der Brennstoffzelle verringert wird, kann eines der zwei Verfahren ausgeführt werden, oder beide Verfahren können gleichzeitig ausgeführt werden.
Der Controller der Brennstoffzelle kann insbesondere konfiguriert sein, um zu bestimmen, dass die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, und kann somit konfiguriert werden, um die Kühlpumpe bei einer Drehfrequenz zu betreiben, die größer eingestellt ist als diejenige in dem normalen Betriebszustand, was die erste Sollspannung oder mehr ist, um eine Umkehrspannung zu verhindern. Gleichzeitig kann der Controller der Brennstoffzelle konfiguriert sein, um den Erwärmer zu betrieben, um die Temperatur der Luft, die an den Befeuchter durch das Luftgebläse zugeführt wird, zu erhöhen.
Ferner können Steuerprozesse zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle sequenziell auf Grundlage von Zuständen der Zellenspannung ausgeführt werden. Mit anderen Worten, da die Feuchtigkeit in der Zelle durch Verringern der Temperatur des Brennstoffzellenstapels effektiver erhöht wird, kann der Steuerprozess zum Verringern der Temperatur des Brennstoffzellenstapels zuerst ausgeführt werden. Danach wird im Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Zellenspannung kontinuierlich verringert wird, ein zusätzlicher Steuerprozess zum Erhöhen der Temperatur von Luft, die an den Befeuchter geführt wird, durch Betreiben des Erwärmers ausgeführt werden.
Danach kann im Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Zellenspannung niedriger als eine vorgegebene zweite Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung kontinuierlich verringert wird, sogar nachdem der Steuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelle startet, der Controller der Brennstoffzelle konfiguriert sein, um in einen Strombegrenzungsmodus überzugehen, um einen Stromausgang der Brennstoffzelle auf einen eingestellten Strombegrenzungswert zu begrenzen. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Strombegrenzungswert als ein Wert (z. B. ungefähr 0,4 A/cm²) eingestellt werden, der größer als der Strombegrenzungswert in dem verwandten Sachstand ist.
Wie voranstehend beschrieben, kann in Übereinstimmung mit dem Betriebssteuerverfahren der vorliegenden Erfindung ein Steuerprozess, der zum Sicherstellen von Feuchtigkeit in der Zelle ausgeführt wird, zusätzlich unter einer Betriebsbedingung ausgeführt werden, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung während eines Betriebs der Brennstoffzelle mit der verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit möglich ist, so dass es möglich sein kann, das Anwendungsgebiet bzw. Betriebsfeld der Brennstoffzelle zu erweitern, einen Energiebereich auszuweiten, der in einem Fahrzeug mit Brennstoffzelle verfügbar ist, eine hohe Leistung in der anfänglichen Stufe beim Starten des Fahrzeugs sicherzustellen, und die Vermarktungsmöglichkeit des Fahrzeugs zu erweitern. Ferner kann die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle eingestellt werden, um die Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit weiter zu verbessern. Somit kann es möglich sein, die Widerstandsfähigkeit der Anodenelektrode der Brennstoffzelle zu verbessern, die Lebensdauer der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs, welches diese verwendet, zu verbessern und die Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle als eine fahrzeuggebundene Energiequelle verbessern.
Die Erfindung ist eingehend unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben worden. Jedoch sei darauf hingewiesen, dass Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen werden, dass Änderungen in diesen beispielhaften Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von den Grundprinzipien und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten definiert ist.

Claims

Betriebssteuerverfahren für eine Brennstoffzelle mit einer verbesserten Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit, wobei ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator zu einer Anodenelektrode hinzugefügt wird, wobei das Betriebssteuerverfahren umfasst: Überwachen, durch einen Controller, einer Zellenspannung der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs der Brennstoffzelle; Vergleichen, durch den Controller, der überwachten Zellenspannung der Brennstoffzelle mit einer ersten Sollspannung; und wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, Ausführen, durch den Controller, eines Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozesses zum Erhöhen der Feuchtigkeit in einer Zelle der Brennstoffzelle.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Sollspannung als eine Schwellenspannung eingestellt wird, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung möglich ist.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelle als ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und/oder ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit von Luft, die an die Brennstoffzelle geliefert wird, ausgeführt wird.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 3, wobei dann, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle zuerst ausgeführt wird und im Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Zellenspannung kontinuierlich verringert wird, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft ausgeführt wird.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 3, wobei dann, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft gleichzeitig ausgeführt werden.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Vergleichen, durch den Controller, der Zellenspannung der Brennstoffzelle mit einer zweiten Sollspannung, die als eine Schwellenspannung für eine Strombegrenzung während der Ausführung des Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozesses zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelle eingestellt ist; und wenn die Zellenspannung niedriger als die zweite Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, Ausführen, durch den Controller, einer Strombegrenzung zum Begrenzen des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 3, wobei der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle umfasst: Erhöhen, durch den Controller, der Drehfrequenz einer Kühlmittelpumpe, um den Flusspfad eines Kühlmittels im Vergleich mit demjenigen bei dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle, die bei einer Zellenspannung größer als die erste Sollspannung oder mehr betrieben wird, zu erhöhen.
Betriebssteuerverfahren nach Anspruch 3, wobei der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft umfasst: Betreiben, durch den Controller, eines Erwärmers zum Erhöhen der Temperatur von Luft von einem Luftgebläse an einen Befeuchter.
Betriebssteuersystem einer Brennstoffzelle mit verbesserter Umkehrspannungs-Widerstandsfähigkeit, wobei ein Sauerstoff-Evolutions-Katalysator zu einer Anodenelektrode hinzugefügt ist, wobei das Betriebssteuersystem umfasst: einen Speicher, der konfiguriert ist, um Programmbefehle zu speichern; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um die Programmbefehle auszuführen, wobei die Programmbefehle, wenn sie ausgeführt werden, konfiguriert sind zum: Überwachen einer Zellenspannung der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs der Brennstoffzelle; Vergleichen der überwachten Zellenspannung der Brennstoffzelle mit einer ersten Sollspannung; und wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abfällt, Ausführen eines Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozesses zum Erhöhen der Feuchtigkeit in einer Zelle der Brennstoffzelle.
Betriebssteuersystem nach Anspruch 9, wobei die erste Sollspannung als eine Schwellenspannung eingestellt wird, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung möglich ist.
Betriebssteuersystem nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelle als ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und/oder als ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit von Luft, die an die Brennstoffzelle geführt wird, ausgeführt wird.
Betriebssteuersystem nach Anspruch 11, wobei dann, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle zuerst ausgeführt wird und, im Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Zellenspannung kontinuierlich verringert wird, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft ausgeführt wird.
Betriebssteuersystem nach Anspruch 11, wobei dann, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft gleichzeitig ausgeführt werden.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Medium, welches Programmbefehle enthält, die von einem Controller ausgeführt werden, wobei das computerlesbare Medium umfasst: Programmbefehle, die eine Zellenspannung der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs der Brennstoffzelle überwachen; Programmbefehle, die die überwachte Zellenspannung der Brennstoffzelle mit einer ersten Sollspannung vergleichen; und Programmbefehle, die einen Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit in einer Zelle der Brennstoffzelle ausführen, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abfällt.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 14, wobei die erste Sollspannung als eine Schwellenspannung eingestellt ist, bei der die Erzeugung einer Umkehrspannung möglich ist.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 14, wobei der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der Feuchtigkeit in der Zelle der Brennstoffzelle als ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und/oder als ein Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit von Luft, die an die Brennstoffzelle geführt wird, ausgeführt wird.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 16, wobei dann, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, zunächst der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle ausgeführt wird, und im Ansprechen auf eine Bestimmung, dass die Zellenspannung kontinuierlich verringert wird, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft ausgeführt wird.
Nicht-flüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 16, wobei dann, wenn die Zellenspannung niedriger als die erste Sollspannung ist, wenn die Zellenspannung abnimmt, der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Verringern der Temperatur der Zelle und der Brennstoffzellen-Betriebssteuerprozess zum Erhöhen der relativen Feuchtigkeit der zugeführten Luft gleichzeitig ausgeführt werden.