DE102017212470A1 - System und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs - Google Patents

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Hyundai Motor Co
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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs umfasst ein Erfassen von Zustandsdaten, ein Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung, ein Messen einer Spannung einer Brennstoffzelle, ein Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung und ein Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, und ein Steuern des Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten, um eine Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder auszuschließen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs.
  • Hintergrund
  • Wenn die durch eine Brennstoffzelle erzeugte ausgegebene Leistung zu einem Zeitpunkt eines Betriebs in dem Zustand, bei welchem ein Fahrzeug verschlechtert (gealtert) ist, sich vermindert, vermindert sich eine Motorleistung. Insbesondere wird ein Fahrzeug augenblicklich beschleunigt, wenn dieses auf eine Autobahn auffährt, und somit Probleme beim Einstellen auf einen Geschwindigkeitsfluss von anderen Fahrzeugen hat, sodass die Sicherheit eines Fahrers bedroht sein kann.
  • Das Brennstoffzellenfahrzeug hybridisiert eine Brennstoffzelle als eine Hauptenergiequelle und eine Hochspannungsbatterie als eine Sekundärenergiequelle zum Verbessern einer Kraftstoffeffizienz und einer Motorleistung. Für die Entwicklung des Brennstoffzellenfahrzeugs wird eine optimale Energieverteilung ausgeführt, bevor die Brennstoffzelle altert. Daher, falls die Brennstoffzelle sich verschlechtert und somit altert, liegt die Brennstoffzelle außerhalb der optimalen Energieverteilung.
  • Um die optimale Energieverteilung aufrecht zu erhalten, ist eine Technik zum Abschätzen der Verschlechterung in der Brennstoffzelle unabdingbar. Für den Fall einer reversiblen Verschlechterung ist der Unterschied in einer relativen Feuchtigkeit zwischen einer Atmosphärentemperatur in einem Niedertemperaturbereich und einer Atmosphärentemperatur in einem Hochtemperaturbereich groß, und ein Wassergehalt in der Brennstoffzelle schwankt stark in Abhängigkeit von einem Fahrverlauf. Insbesondere schwankt der Unterschied bei einer Leistung stark in Abhängigkeit davon, ob ein aufgrund einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugtes Wasser in die Luft entlassen wird oder ob das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle verbleibt. Die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert sich unbeachtlich des überschüssigen Wassergehalts oder des unzureichenden Wassergehalts in der Brennstoffzelle und die Leistung der Brennstoffzelle ist am Besten, wenn die relative Feuchtigkeit bei 100% gehalten wird. Eine Wassergenhaltabschätzungseinheit wird benötigt, um eine Leistungsverschlechterung in Abhängigkeit von dem Wassergehalt in der Brennstoffzelle zu verhindern.
  • Das Verschlechterungsmessverfahren muss die Verschlechterung in Echtzeit messen, um auf ein echtes Fahrzeug angewendet zu werden, allerdings gibt es keinen Sensor, welcher zum Messen der irreversiblen Verschlechterung geeignet ist. Zum Abschätzen der reversiblen Verschlechterung muss ein relativer Feuchtigkeitssensor in dem Fahrzeug vorgesehen sein. In diesem Fall können allerdings die Kosten aufgrund des relativen Feuchtigkeitssensors zu nehmen. Daher besteht die Notwendigkeit eine Abschätzungseinheit zu entwickeln, welche die reversible Verschlechterung und die irreversible Verschlechterung der Brennstoffzelle in Echtzeit in dem Fahrzeug abschätzen kann.
  • Der als Stand der Technik beschriebene Gegenstand wurde nur dargestellt um das Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung zu unterstützen und sollten nicht als der dem Fachmann bekannte zugehörige Stand der Technik betrachtet werden.
  • Zusammenfassung
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereit, welche zum Betreiben des Fahrzeugs mit einer optimalen Leistungsverteilung geeignet sind, selbst wenn eine Brennstoffzelle reversibel oder irreversibel verschlechtert ist, und zum Betreiben des Fahrzeugs, während ein Wassergehalt in der Brennstoffzelle optimal aufrechtgehalten wird, um zu einer Motorleistung und einer Zunahme einer Kraftstoffeffizienz beizutragen.
  • Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs verwendet werden. Zustandsdaten werden erfasst, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Stapelstrom umfasst. Ein mathematisches Spannungsmodell wird durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung abgeleitet. Eine Spannung einer Brennstoffzelle wird gemessen und ein mathematisches Spannungsmodell wird angenähert an eine Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten und Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert. Das System des Brennstoffzellenfahrzeugs wird basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten gesteuert, um eine Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder auszuschließen, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle optimiert wird.
  • Der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung kann aus einer relativen Feuchtigkeit bei einem Luftauslass des Brennstoffzellenstapels abgeschätzt werden.
  • Das mathematische Spannungsmodell und die Messspannung können ein Graph sein, bei welchem eine Stromdichte auf einer X-Achse dargestellt wird und einen Zellspannung auf einer Y-Achse dargestellt wird.
  • Die Spannungsberechnungsgleichung kann eine Gleichung unter Verwendung von Reaktionsbereichsdaten als ein Parameter sein und bei dem Ableiten des mathematischen Spannungsmodells kann das mathematische Spannungsmodell durch Ersetzen eines Anfangswerts der Reaktionsbereichsdaten abgeleitet werden und bei dem Ableiten der Reaktionsbereichsdaten kann das mathematische Spannungsmodell die Messspannung durch Ersetzen der in die Spannungsberechnungsgleichung eingegebenen Reaktionsbereichsdaten annähern, während sich die Reaktionsbereichsdaten ändern.
  • Bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn eine Abweichung zwischen einer Vielzahl von Zellspannungen gleich oder größer als ein Referenzniveau ist, kann das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert werden, um einen austrocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu vermeiden oder zu lösen.
  • Bei dem optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn die Abweichung zwischen der Vielzahl von Zellspannungen gleich oder geringer als das Referenzniveau ist, kann das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der Reaktionsbereichsdaten gesteuert werden, um den Überbefeuchtungszustand der Brennstoffzelle zu vermeiden oder zu lösen.
  • Bei der Optimierung der Leistung der Brennstoffzelle, wenn ein Dispersionswert zwischen einer Vielzahl von Zellspannungen gleich oder geringer als ein erstes Referenzniveau ist, kann das System der Brennstoffzelle auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert werden, um einen trocknenden Zustand der Brennstoffzellenzu vermeiden oder zu lösen.
  • Bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn ein Zellspannungsverhältnis, welches durch Dividieren einer minimalen Zellspannung durch eine durchschnittliche Zellspannung erhalten wird, gleich oder größer als ein zweiter Referenzwert ist, kann das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert werden, um einen trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen.
  • Das Verfahren kann weiter ein Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Katalysatorunterstützungsmengendaten und Ableiten der Katalysatorunterstützungsmengendaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, wobei bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Katalysatorunterstützungsmengendaten gesteuert werden kann.
  • Bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten gesteuert wird, können eine Temperatur, eine Luftzufuhrmenge oder eine Wasserstoffspülmenge der Brennstoffzelle gesteuert werden und, wenn das System der Brennstoffzelle auf der Basis der abgeleiteten Katalysatorunterstützungsmengendaten gesteuert wird, kann eine Leistungsverteilung zwischen der Hochspannungsbatterie und der Brennstoffzelle des Fahrzeugs gesteuert werden.
  • Das Verfahren kann weiter umfassen: Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von internen Stromdichtedaten und Ableiten der internen Stromdichtedaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, wobei bei dem optimieren der Leistung der Brennstoffzelle das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten internen Stromdichtedaten gesteuert werden kann.
  • Entsprechend einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein System ein Brennstoffzellenfahrzeug zum Ausführen des Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs steuern. Ein Sensor ist ausgebildet zum Messen eines Drucks einer Katode und einer Anode. Ein Sensor ist ausgebildet zum Messen einer Kühlwassertemperatur. Ein Sensor ist ausgebildet zum Messen eines Stroms eines Brennstoffzellenstapels. Eine Steuereinheit ist ausgebildet zum Erfassen von Zustandsdaten, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Stapelstrom umfassen, zum Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung, zum Messen einer Spannung der Brennstoffzelle, zum Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten, zum Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, und zum Steuern des Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten, um eine Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder auszuschließen, um dadurch die Leistung der Brennstoffzelle zu optimieren.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Systems zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detailbeschreibung von erläuternden Ausführungsformen
  • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Systems zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Erfassen von Zustandsdaten, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Stapelstrom umfassen (S100); ein Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung; ein Messen einer Spannung einer Brennstoffzelle; ein Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten und Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert (S200); und ein Steuern des Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten, um eine Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu vermeiden oder auszuschließen, um dadurch eine Leistung der Brennstoffzelle zu optimieren.
  • Die Verschlechterung in der Brennstoffzelle kann in eine reversible Verschlechterung und eine irreversible Verschlechterung klassifiziert werden, welche jeweils in zwei Arten geteilt werden können.
  • Bei dem Fall der reversiblen Verschlechterung kann eine Leistung wiederhergestellt werden, allerdings tritt die reversible Verschlechterung hauptsächlich auf, wenn durch hauptsächlich eine Brennstoffzellenreaktion erzeugtes Wasser nicht abgelassen wird oder zu viel abgelassen wird und somit eine Wassermenge fehlt. Ein Verfahren zum Lösen dieses Problems führt eine Betriebstemperatursteuerung, eine Luftzufuhrmengensteuerung oder etwas Ähnliches zum Steuern der Wassermenge aus.
  • Bei dem Fall der irreversiblen Verschlechterung kann eine Leistung nicht wiederhergestellt werden, allerdings vermindert sich die für eine chemische Reaktion verteilte Menge eines Katalysators oder bildet sich eine Öffnung einer Wasserstoffionenelektrolytmembran, sodass ein Wasserstoffübergang verursacht wird. Im Ergebnis, da die Energie der Brennstoffzelle vermindert wird, ist eine Energieverteilungssteuerung des Gesamtenergiesystems notwendig, sodass die Hochspannungsbatterie eine größere Menge an Energie als die Brennstoffzelle liefert.
  • Typischerweise ist die Auswahl von Parametern, welche eine Art und einen Grad der Verschlechterung erfassen, und die Abschätzung der Werte davon nicht vollständig zufriedenstellend und somit wird eine geeignete Steuerung nicht umgesetzt. Insbesondere ist es schwierig einen trockenen Betriebszustand (Austrocknen) und einen Zustand eines Überbefeuchtungsbetriebs während der reversiblen Verschlechterung zu unterscheiden.
  • Um dieses Problem zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Auffinden von Werten eines geeigneten Parameters durch Vergleichen eines mathematischen Abschätzungsmodells einer Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle mit einem tatsächlichen Modell, ein Erhalten einer optimalen Effizienz durch Steuern des Brennstoffzellensystems basierend auf diesen Werten und Verhindern einer Verschlechterung der Brennstoffzelle vor.
  • Insbesondere 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zuerst führt das Verfahren das Erfassen von Zustandsdaten aus, welche den Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung, den Kathodendruck, den Anodendruck und die Kühlwassertemperatur und den Stapelstrom umfassen (S100). Der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung gibt an, wie viel Feuchtigkeit in der Membranelektrodenanordnung vorhanden ist, was aus einer relativen Feuchtigkeit eines Kathodenausgangs der Kraftstoffzelle bekannt sein kann. Da der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung proportional zu der relativen Feuchtigkeit ist, kann der Wassergehalt einfach durch Multiplizieren mit einer Konstanten oder durch Speichern der Gleichung vorab und Eingeben der relativen Feuchtigkeit in die obige Gleichung abgeleitet werden. Die relative Feuchtigkeit des Kathoden Ausgangs kann ebenso mit dem Sensor gemessen werden und kann auf dieselbe Weise wie in KR 10-1293961 B1 abgeschätzt werden.
  • Der Kathodendruck und der Anodendruck können mit einem Sensor gemessen werden, wie in 1 dargestellt, und die Kühlwassertemperatur kann in einer die Brennstoffzelle umfließenden Kühlwasserleitung gemessen werden. Weiter kann der Stapelstrom durch Messen mit einem Stromsensor gemessen werden.
  • Das Ableiten des mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der so erhaltenen Zustandsdaten in die Spannungsberechnungsgleichung wird ausgeführt.
  • Die Spannungsberechnungsgleichung gibt eine Gleichung an, welche durch indirektes Berechnen des Spannungsausgangs von der Brennstoffzelle mit verschiedenen Eingangswerten erhalten wird. Bei der Spannungsberechnungsgleichung wird die mathematische Spannung Vm durch Subtrahieren eines Aktivierungsverlusts Vacc, eines Widerstandsverlusts Vohm und eines Konzentrationsverlusts Vcon von einer verlustfreien thermodynamischen theoretischen Spannung E, wie in der nachstehenden Gleichung 1, berechnet. Der Aktivierungsverlust ist ein Verlust, welcher auftritt, um eine Aktivierungsenergie zum Auslösen der Reaktion zu vermindern, und der Widerstandsverlust ist ein Verlust, welcher auftritt durch einen Migrationswiderstand von Ionen in den Elektrolyt und einen Migrationswiderstand von Elektronen in einer Elektrode, einer Gasdiffusionsschicht und einem Trennelement. Der Konzentrationsverlust ist ein Verlust, welcher verursacht wird, durch eine fehlende Fähigkeit, eine durchschnittliche Anfangskonzentration eines Fluorid aufrechtzuerhalten, wenn ein Reactant an der Elektrode durch eine elektrochemische Reaktion verbraucht wird. V m = − Δ G 2 F + R u T n F ln ( ( P a − ϕ P H 2 O _ s a t P a 0 ) ( P c − ϕ P H 2 O _ s a t P c 0 ) 0.5 a H 2 O ) − R u T α n F ln ( i + i i n i 0, r e f A c L c ( P c − ϕ P H 2 O _ s a t P c 0 ) 0.5 e E c R ( 1 T 1 298.15 ) ) − ( i + i i n ) ( R a + t m 0.005139 ( 0.043 + 17.81 ϕ − 39.85 ϕ 2 + 36 ϕ 3 ) − 0.00326 e 1268 ( 1 T − 1 303 ) ) + d R u T n F ln ( 1 − i + i i n D 0, r e f T 0.5 T 0 1.5 ( P c − ϕ P H 2 O _ s a t P c 0 ) ) i = I F C A c
    Figure DE102017212470A1_0001
    • P:
    Druck, kPa
    Psat:
    Sättigungsdruck, kPa
    F:
    Faraday-Konstante, 96,487 C/mol
    Ru:
    universale Gaskonstante, 8,314 J/mol/K
    T:
    Temperatur, K
    Tc:
    Temperatur, °C
    E:
    ideales Zellpotenzial, V
    R:
    Widerstand
    i:
    Stromdichte, (A/cm2)
    D:
    Diffusionskoeffizient
    AC:
    spezifischer Katalysatorbereich
    LC:
    Katalysatorladung
    Ec:
    Aktivierungsenergie, 66 kJ/mol
    V:
    Potenzial, V
    d:
    Konzentrationskoeffizienten
    n:
    Anzahl von Elektronen pro Wasserstoffmolekül, 2
    iin:
    Interne Stromdichte, (A/cm2)
    iL:
    Grenzstromdichte (A/cm2)
    tm:
    Dicke der Membran
    Km:
    Ionenleitfähigkeit der Membran
    Pa:
    Anodendruck
    Pc:
    Kathodendruck
    aH20:
    Wasseraktivität
    PH2O_sat:
    gesättigter Wasserdampfdruck
    Rm:
    Membranwiderstand
    Ra:
    Widerstand der Restzelle
    F:
    Faraday-Konstante, 96487 (C/mol)
    G:
    freie Enthalpie, (J)
    Ø:
    relative Feuchtigkeit
    α:
    Transferkoeffizient
    a:
    Wasseraktivität
    t:
    Dicke
    δ
    Diffusionsabstand
    ε:
    Polarität
    λ:
    Prozentsatz von Wassergehalt einer Membran
  • Index
    • H2:
    Wasserstoff
    O2:
    Sauerstoff
    H2O:
    Wasser
    ref:
    Referenzbedingung (298,15 K, 101,25 kPa)
    m:
    Membran
  • Wenn die gemessenen oder geschätzten Zustandsdaten in die obige Gleichung 1 eingesetzt werden, kann ein Spannungswert Vm für eine bestimmte Stromdichte i erhalten werden, wobei der Spannungswert in einer Graphischen Form gebilder wird, wobei eine Stromdichte auf einer X-Achse dargestellt wird und eine Zellspannung auf einer Y-Achse dargestellt wird, um ein mathematisches Spannungsmodell abzuleiten.
  • Die obige Gleichung umfasst mehrere Parameter, nämlich Reaktionsbereichsdaten Ac, Katalysatorunterstützungsmengendaten Lc und eine interne Stromdichte iin. Daher sind die restlichen Parameter auf einen anfänglich eingesetzten Wert festgelegt, lediglich einer der restlichen Parameter wird variabel geändert und eingesetzt, um das mathematische Spannungsmodell zu erstellen und den Graph ähnlich zu der Messspannung auszubilden, und die Parameterwerte, wenn das mathematische Spannungsmodell und die Graphenform der Messspannung ähnlich sind, werden Parameterwerte, welche zu erhalten sind. Die Reaktionsbereichsdaten Ac und die Katalysatorunterstützungsmengendaten Lc werden durch das Graphenanpassungsverfahren abgeleitet.
  • Zuerst werden das Annähern des mathematischen Spannungsmodells an die Messspannung durch Verändern der Reaktionsbereichsdaten und das Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert (S200), ausgeführt. Um die durch Verändern der Reaktionsbereichsdaten erhaltene Spannung genauer auszubilden, muss die Spannung basierend auf einer minimalen Zellspannung erhalten werden. Das heißt, bei dem durch Ändern der Reaktionsbereichsdaten abgeleiteten mathematischen Spannungsmodell wird ein mathematisches Spannungsmodell für die minimalen Zellspannung erhalten und das Vergleichsziel bestimmt die tatsächlich gemessene minimale Zellspannung als die Messspannung, um die Reaktionsbereichsdaten abzuleiten.
  • Weiter wird das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten gesteuert, um den Zustand einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle auszuschließen, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle optimiert wird.
  • Wenn eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle gering ist, wird ein gesättigter Wasserdampfdruck gering und das erzeugte Wasser, welches ein Abfall einer Wasserstoff-Sauerstoff reaktion ist, ist in einem flüssigen Zustand vorhanden, anstelle eines durch die Kanalwand oder die Gasdiffusionsschicht zu absorbierenden. Im Ergebnis wird das erzeugte Wasser nicht gut in der Luft entsprechend eines Luftflusses abgeführt und daher tritt dieses auf, wenn dieses sich in der Brennstoffzelle mit der Zeit ansammelt. Falls das erzeugte Wasser den maximalen Wassergehalt der Elektrolytmembran und der Gasdiffusionsschicht überschreitet, während dies in der Brennstoffzelle angesammelt wird, fließt das erzeugte Wasser in einem Wasserstoff- und Sauerstoff-Flusskanal über. Im Ergebnis wird ein Widerstand eines Pfads, durch welchen Wasserstoff und Sauerstoff zu einem Katalysator übertragen werden, erhöht (nachfolgend als überschüssiges Wasser bezeichnet). Zum Verbinden des Phänomens des mathematischen Spannungsmodells wird der Reaktionsbereich als ein Parameter eingestellt. Wenn das überschüssige Wasser vorhanden ist, deckt das erzeugte Wasser eine Elektrodenoberfläche ab, was ein Ergebnis ist, welches durch denselben Effekt analysiert wird, wenn der Reaktionsbereich reduziert wird. Entsprechend, wenn der Reaktionsbereich zunimmt, wird angenommen, dass das Wasser nicht übermäßig ist. Eine Steuerung zum graduellen Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle, zum Erhöhen einer Luftzufuhrmenge oder zum Erhöhen einer Wasserstoffspülmenge proportional zum Grad des überschüssigen Wassers wird ausgeführt (S260 und S280).
  • Daher ist es möglich den Zustand einer Überbefeuchtung des Brennstoffzellenstapels durch die Steuerung genau einzustellen, und die Brennstoffzelle mit der optimalen Effizienz zu betreiben und die Verschlechterung der Brennstoffzelle durch genaues Kennen und Bewältigen des Überbefeuchtungsgrads einer Befeuchtung zu verhindern.
  • Indessen kann bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn die Abweichung zwischen der Vielzahl von Zellspannungen gleich oder größer als das Referenzniveau ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert werden, um den trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen. Weiter kann bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn die Abweichung zwischen der Vielzahl von Zellspannungen gleich oder geringer als das Referenzniveau ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der Reaktionsbereichsdaten gesteuert werden, um den Zustand einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen
  • Beispielsweise kann bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn ein Dispersionswert der Vielzahl von Zellspannungen gleich oder geringer als ein erster Referenzwert ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert werden, um den trockenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen. Der geringe Dispersionswert der Zellspannung bedeutet, dass die Abweichung zwischen den Zellspannungen klein ist und relativ gleichförmig ist, was zu dem trocknenden oder normalen Zustand gehört, vielmehr als zu der Überbefeuchtung. Entsprechend wird in diesem Fall, wenn der Wassergehalt vermindert wird, die Brennstoffzelle gekühlt oder wird die Luftzufuhrmenge reduziert, in Abhängigkeit von dem Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung oder der relativen Feuchtigkeit, wodurch der trocknende Zustand verhindert wird und die Brennstoffzelle in einem optimalen Zustand betrieben wird.
  • Als ein anderes Verfahren wird bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn das durch Dividieren der minimalen Zellspannung durch eine durchschnittliche Zellspannung erhaltene Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein zweiter Referenzwert ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert, um den trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen. Das Zellspannungsverhältnis ist ein Wert, welcher durch Dividieren der minimalen Zellspannung durch die durchschnittliche Zellspannung erhalten wird. Hierbei gilt, desto größer das Zellspannungsverhältnis ist, desto kleiner ist die Abweichung zwischen den Zellspannungen. Daher kann ein Berücksichtigen des Zellspannungsverhältnisses anstelle des Dispersionswerts dieselbe Bedeutung aufweisen. In diesem Fall wird angenommen, dass die Brennstoffzelle in dem normalen Zustand oder in dem trocknenden Zustand ist, wenn das Zellspannungsverhältnis ebenso groß ist, und daher kann das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung oder der relativen Feuchtigkeit gesteuert werden, um den trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu vermeiden oder zu lösen (S220, S240 und S280).
  • Zusätzlich werden das Annähern des mathematischen Spannungsmodells an die Messspannung durch Ändern der Katalysatorunterstützungsmengendaten und das Ableiten der Katalysatorunterstützungsmengendaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert (S300) ausgeführt und bei der Optimierung der Leistung der Brennstoffzelle (S320) kann das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Katalysatorunterstützungsdaten gesteuert werden. Um die durch Variieren der Katalysatorunterstützungsmengendaten erhaltene Spannung genauer zu machen, muss die Spannung basierend auf der durchschnittlichen Zellspannung erhalten werden. Das heißt, bei dem durch Ändern der Katalysatorunterstützungsmengendaten abgeleiteten mathematischen Spannungsmodell wird ein mathematisches Spannungsmodell für die durchschnittliche Zellspannung erhalten, und das Vergleichsziel bestimmt die tatsächlich gemessene durchschnittliche Zellspannung als die Messspannung zum Ableiten der Katalysatorunterstützungsmengendaten.
  • Wie oben beschrieben, wird bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle, wenn das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten gesteuert wird, eine Temperatur, eine Luftzufuhrmenge oder eine Wasserstoffspülmenge der Brennstoffzelle gesteuert (S280) und, wenn das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Katalysatorunterstützungsmengendaten gesteuert wird, kann die Energieverteilung zwischen der Hochspannungsbatterie und der Brennstoffzelle des Fahrzeugs gesteuert werden (S320).
  • Wenn die Katalysatorunterstützungsmenge vermindert wird, kann der Katalysator selbst reversibel verschlechtert werden und kann irreversibel verschlechtert werden dadurch das diese zeitweise mit Feuchtigkeit umgeben wird. Daher ist es in diesem Fall angebracht mehr Leistung über die Hochspannungsbatterie zu verwenden und die Belastung der Brennstoffzelle zu reduzieren.
  • Indessen werden zusätzlich das Annähern des mathematischen Spannungsmodells an die Messspannung durch Ändern der internen Stromdichtedaten und das Ableiten der internen Stromdichtedaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert (S300), ausgeführt und kann bei dem Optimieren der Leistung der Brennstoffzelle das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten internen Stromdichtedaten gesteuert werden (S320).
  • Die interne Stromdichte wird durch Umwandeln der Menge an Wasserstoffionen zum direkten Übergehen zu der Katode durch Hindurchtreten durch die Membranelektrodenanordnung in einer Stromdichteeinheit erhalten und kann auftreten, wenn ein Nadelloch in der Membranelektrodenanordnung gebildet wird. Daher kann der Verschlechterungsgrad der Brennstoffzelle basierend auf dem Grad der internen Stromdichte verstanden werden und somit wird die Leistung über die Hochspannungsbatterie mehr verwendet und die Belastung der Brennstoffzelle wird reduziert, wodurch die Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert wird.
  • Zusätzlich, um die interne Stromdichte oder die Katalysatorunterstützungsmenge als Parameter zu verstehen, wenn der durchschnittliche Zellspannungswert als die Messspannung verwendet wird und der Reaktionsbereich als der Parameter verwendet wird, wird bevorzugt die minimale Zellspannung als die Messspannung verwendet.
  • Im Ergebnis gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich zu verstehen, ob die Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle an der Verschlechterung bei dem Katalysator, dem Wassergehalt oder eine Kombination davon liegt, und in jedem Fall kann die Brennstoffzelle schnell durch Steuern des Wassergehalts oder durch Erhöhen der Verwendung der Hochspannungsbatterie und optimales Betreiben in dem optimalen Zustand unter der vorliegenden Situation wiederhergestellt werden.
  • Das System zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs aus 1 zum Ausführen des Verfahrens zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Sensor, ausgebildet zum Messen eines Drucks einer Katode und einer Anode; einen Sensor, ausgebildet zum Messen einer Kühlwassertemperatur; einen Sensor, ausgebildet zum Messen eines Stroms eines Brennstoffzellenstapels; und eine Steuereinheit, ausgebildet zum Erfassen von Zustandsdaten, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Stapelstrom umfassen, zum Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung, zum Messen einer Spannung der Brennstoffzelle, zum Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an die Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten, zum Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, und zum Steuern des Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten, um eine Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder auszuschließen, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle optimiert wird.
  • Die Brennstoffzelle 100 ist ausgebildet, eine Anode 20, eine Katode 10 und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu umfassen, wobei die Anode 20 mit einer Wasserstoffleitung 300 verbunden ist, die Katode 10 mit einer Luftleitung 500 verbunden ist und eine Kühlleitung 700 durch die gesamte Brennstoffzelle 100 fließt. Die Wasserstoffleitung 300 ist mit einem Versorgungsventil 310, einem Drucksensor 320, einem Spülventil 330 und einem Ablassventil 340 versehen und die Luftleitung 500 ist mit einem Befeuchter 530, einem Drucksensor 520, einem Kompressor 510, einem Flussratenventil 550 und einem Temperatursensor 540 versehen. Weiter ist die Kühlleitung 700 mit einer Pumpe 720 versehen.
  • Die Steuereinheit 900 erfasst Zustandsdaten, welche den Kathodendruck, den Anodendruck, die Kühlwassertemperatur und den Stapelstrom umfassen, von dem den Druck der Katode und der Anode messenden Sensor, dem die Kühlwassertemperatur messenden Sensor und dem den Strom des Brennstoffzellenstapels messenden Sensor, und schätzt den Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung ab.
  • Weiter wird das mathematische Spannungsmodell unter Verwendung der in einem getrennten Speicher gespeicherten Spannungsberechnungsgleichung abgeleitet, werden die Reaktionsbereichsdaten durch Annähern des mathematischen Spannungsmodells an die Messspannung erhalten und wird das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der Reaktionsbereichsdaten gesteuert, um den Zustand einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle optimiert wird.
  • Entsprechend dem System und dem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich das Fahrzeug mit einer optimalen Energieverteilung zu betreiben, selbst wenn eine Brennstoffzelle reversibel oder irreversibel verschlechtert ist, und das Fahrzeug zu betreiben, während ein Wassergehalt in der Brennstoffzelle optimal gehalten wird, wodurch zu einer Motorleistung und einer Erhöhung der Kraftstoffeffizienz beigetragen wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung gezeigt und beschrieben wurde mit Bezug zu bestimmten beispielhaften Ausführungsformen, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung verschiedenartig modifiziert und geändert werden kann, ohne von dem Geist und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in den nachfolgenden Ansprüchen bestimmt, abzuweichen.

Claims (17)

  1. Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen von Zustandsdaten, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Stapelstrom umfassen; Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung; Messen einer Spannung einer Brennstoffzelle; Annähern des mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten und Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert; und Steuern eines Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten zum Beeinflussen einer Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Steuern des Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs ein Steuern eines Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten umfasst, um eine Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder auszuschließen.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung aus einer relativen Feuchtigkeit an einem Luftauslass der Brennstoffzelle abgeschätzt wird.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das mathematische Spannungsmodell und die Messspannung ein Graph sind, bei welchem eine Stromdichte auf einer X-Achse dargestellt ist und eine Zellspannung auf einer Y-Achse dargestellt ist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Spannungsberechnungsgleichung eine Gleichung ist, welche Reaktionsbereichsdaten als einen Parameter verwendet, und bei dem Ableiten des mathematischen Spannungsmodells das mathematische Spannungsmodell durch Einsetzen eines Anfangswerts der Reaktionsbereichsdaten abgeleitet wird und bei dem Ableiten der Reaktionsbereichsdaten das mathematische Spannungsmodell die Messspannung durch Einsetzen der in die Spannungsberechnungsgleichung eingegebenen Reaktionsbereichsdaten annähert, während die Reaktionsbereichsdaten geändert werden.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, wenn eine Abweichung zwischen einer Vielzahl von Zellspannungen gleich oder größer als ein Referenzniveau ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert wird, um einen trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei, wenn die Abweichung zwischen der Vielzahl von Zellspannungen gleich oder geringer als das Referenzniveau ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der Reaktionsbereichsdaten gesteuert wird, um einen Zustand einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wenn ein Dispersionswert zwischen einer Vielzahl von Zellspannungen gleich oder geringer als ein erstes Referenzniveau ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis des Wassergehalts der Membranelektrodenanordnung gesteuert wird, um einen trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 1, wenn ein durch Dividieren einer minimalen Zellspannung durch eine durchschnittliche Zellspannung erhaltenes Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein zweiter Referenzwert ist, das System des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf dem Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung gesteuert wird, um einen trocknenden Zustand der Brennstoffzelle zu verhindern oder zu lösen.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend ein Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Katalysatorunterstützungsmengendaten und Ableiten der Katalysatorunterstützungsmengendaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, wobei das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Katalysatorunterstützungsmengendaten gesteuert wird.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei, wenn das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten gesteuert wird, eine Temperatur, eine Luftzufuhrmenge oder eine Wasserstoffspülmenge der Brennstoffzelle gesteuert wird, und, wenn das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten Katalysatorunterstützungsmengendaten gesteuert wird, eine Energieverteilung zwischen einer Hochspannungsbatterie und der Brennstoffzelle des Fahrzeugs gesteuert wird
  12. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend ein Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von internen Stromdichtedaten und Ableiten der internen Stromdichtedaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, wobei das System des Brennstoffzellenfahrzeugs auf der Basis der abgeleiteten internen Stromdichtedaten gesteuert wird
  13. Ein System zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei das System umfasst: einen ersten Sensor, ausgebildet zum Messen eines Drucks einer Katode und einer Anode; einen zweiten Sensor, ausgebildet zum Messen einer Kühlwassertemperatur; einen dritten Sensor, ausgebildet zum Messen eines Stroms eines Brennstoffzellenstapels; und eine Steuereinheit, ausgebildet zum Erfassen von Zustandsdaten, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Stapelstrom umfassen, zum Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung, Messen einer Spannung der Brennstoffzelle, zum Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten, zum Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, und zum Steuern des Systems des Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten zum Beeinflussen einer Situation eine Überbefeuchtung der Brennstoffzelle.
  14. Eine Vorrichtung, umfassend: eine Brennstoffzelle, welche eine Anode, eine Katode und eine Membranelektrodenanordnung umfasst; eine Wasserstoffleitung, wobei die Anode mit der Wasserstoffleitung verbunden ist; eine Luftleitung, wobei die Katode mit der Luftleitung verbunden ist; eine Kühlleitung, ausgebildet zum Zirkulieren von Kühlwasser für die Brennstoffzelle; einen Drucksensor, ausgebildet zum Messen eines Drucks der Anode und der Katode; einen Temperatursensor, ausgebildet zum Messen einer Temperatur des Kühlwassers in der Kühlleitung; einen Stromsensor, ausgebildet zum Messen eines Stroms der Brennstoffzelle; und eine Steuereinheit, ausgebildet zum Erfassen von Zustandsdaten, welche einen Wassergehalt einer Membranelektrodenanordnung, einen Kathodendruck, einen Anodendruck, eine Kühlwassertemperatur und einen Brennstoffzellenstapelstrom umfassen, zum Ableiten eines mathematischen Spannungsmodells durch Einsetzen der erfassten Zustandsdaten in eine Spannungsberechnungsgleichung, zum Messen einer Spannung der Brennstoffzelle, zum Annähern eines mathematischen Spannungsmodells an eine Messspannung durch Ändern von Reaktionsbereichsdaten, zum Ableiten der Reaktionsbereichsdaten, wenn das mathematische Spannungsmodell die Messspannung annähert, und zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs basierend auf den abgeleiteten Reaktionsbereichsdaten zum Beeinflussen einer Situation einer Überbefeuchtung der Brennstoffzelle.
  15. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiter umfassend einen mit der Luftleitung in Reihe gekoppelten Befeuchter.
  16. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiter umfassend: ein Versorgungsventil, gekoppelt mit der Wasserstoffleitung; einen Drucksensor, gekoppelt mit der Wasserstoffleitung; einen Befeuchter, in Reihe gekoppelt mit der Luftleitung; einen Kompressor, gekoppelt mit der Luftleitung; und eine Pumpe, gekoppelt mit der Kühlleitung.
  17. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, weiter umfassend einen Luftauslass der Brennstoffzelle, wobei der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung aus einer relativen Feuchtigkeit an dem Luftauslass abgeschätzt wird.
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