DE102018110366A1 - Dynamische energiespar-steuerung der zellenspannung in einem brennstoffzellenstapel während energiespar-betriebsmodi - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und eine Steuerung. Der Brennstoffzellenstapel umfasst einen Katalysator und eine Stapelspannung. Die Steuerung erhöht die Effizienz des Brennstoffzellenstapels durch Minimieren oder Entfernen einer Ansammlung von Oxiden auf dem Katalysator während eines Energiespar-Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems. Die Steuerung führt ein Verfahren zum dynamischen Steuern der Stapelspannung während eines erkannten Energiespar-Betriebsmodus aus. Das Verfahren umfasst das Befehlen von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen über die Steuerung an den Brennstoffzellenstapel mit einer Größenordnung und einer Frequenz, die zum Minimieren oder Entfernen der Oxide ausreichen. Das System kann einen Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandler (DC-DC-Aufwärtswandler) enthalten, wobei die Steuerung programmiert ist, um die Leistungsimpulse von dem DC-DC-Aufwärtswandler zu befehlen. Oder die Steuerung kann so konfiguriert sein, dass sie die Leistungsimpulse durch Steuern einer Zuführrate des Sauerstoffs und/oder des Wasserstoffs steuert.

Description

• EINLEITUNG
• Ein Brennstoffzellenstapel ist eine elektrochemische Vorrichtung, die Platin oder einen anderen geeigneten Katalysator verwendet, um Elektrizität aus einer gepaarten Oxidations-/Reduktions-Reaktion zu erzeugen. Brennstoffzellenstapel können als eine Quelle von elektrischer Gleichstromleistung für den Kraftfahrzeugantrieb, die Stromerzeugung und andere vorteilhafte Anwendungen verwendet werden. Insbesondere in Kraftfahrzeuganwendungen wird der Zeitraum zwischen dem Einschalten einer Zündung zu Beginn einer Fahrt und dem erneuten Ausschalten der Zündung bei Beendigung der Fahrt als Fahrzeug-Fahrzyklus bezeichnet. In einem Fahrzeug, das einen Brennstoffzellenstapel verwendet, kann ein wesentlicher Teil des Fahrzyklus im Leerlauf mit dem Brennstoffzellenstapel verbracht werden, der bei niedrigen Leistungsausgangspegeln arbeitet, wobei der Brennstoffzellenstapel auf einem festen Spannungspegel mit einer sehr geringen Stromaufnahme bleibt. Diese Energiespar-/Leerlaufperiode wird als „Haltezeit“ bezeichnet.
• Während Energiespar-Haltezeitintervallen wird der Brennstoffzellenstapel typischerweise auf einem relativ hohen Potential gehalten. Solch eine Steuermaßnahme ist darauf gerichtet, die Stapeleffizienz zu maximieren, sowie sicherzustellen, dass sofort eine höhere Spannungsleistung verfügbar ist, wenn das Haltezeitintervall verlassen wird. Bei höheren Dauerspannungen können sich jedoch Oxide auf dem Katalysatormaterial ansammeln. Akkumulierte Oxide neigen dazu, die katalytische Aktivität im Laufe der Zeit zu verringern. Als ein Ergebnis verschlechtern sich die Zellenspannungspegel, wenn die Haltezeitdauer zunimmt. Die Oxide können entfernt werden, indem der Brennstoffzellenstapel auf einem niedrigen Potential gehalten wird. Die Aufrechterhaltung eines niedrigen Zellenpotentials kann jedoch die Kraftleistung beeinträchtigen, insbesondere wenn Haltezeitintervalle mit niedriger Leistung verlassen werden.
• KURZDARSTELLUNG
• Hierin sind ein Steuerverfahren und ein Steuerungssystem offenbart, die verwendet werden können, um die Betriebseffizienz eines Brennstoffzellenstapels zu verbessern. Das Verfahren beinhaltet die dynamische Steuerung der Stapelspannung in dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere während Energiespar-Betriebsmodi. Die katalytische Aktivität wird durch intermittierendes Anlegen von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen an den Brennstoffzellenstapel während des Energiespar-Betriebsmodus verbessert, um das Zellenpotential zu maximieren. Eine Beziehung zwischen der Verringerung der katalytischen Aktivität und der Erhöhung der Haltezeit kann z. B. über ein katalytisches Modell mit Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen berechnet werden, die mit einer kalibrierten Frequenz als eine bestimmte Steuermaßnahme bereitgestellt werden, die von einer integrierten Steuerung auszuführen ist. Infolgedessen wird die Effizienz des Brennstoffzellenstapels erhöht. Die vorliegende Strategie kann eine Alterung des Brennstoffzellenstapels berücksichtigen und die Leistungsimpulse entsprechend modifizieren, z. B. kann die Frequenz der Niederspannungs-/Hochleistungspulsationen erhöht werden, wenn der Brennstoffzellenstapel altert, um sicherzustellen, dass die Gesamtstapeleffizienzgewinne aufrechterhalten werden.
• In möglichen Ausführungsformen kann Hochleistungspulsieren während Energiespar-Fahrzyklen oder anderen Energiespar-Betriebsmodi erzielt werden, indem der Sauerstoff- und/oder Wasserstofffluss durch den Brennstoffzellenstapel verringert wird. Alternativ können die erforderlichen Leistungsimpulse elektrisch eingespeist werden, z. B. über die Steuerung eines Spannungsausgangs eines Aufwärtswandlers. Als ein Ergebnis werden angesammelte Oxide sanft von Oberflächen des Katalysators entfernt oder minimiert, sodass die zeitlich gemittelte katalytische Aktivität während Energiespar-Betriebsmodi erhöht wird. Das oben erwähnte Modell kann verwendet werden, um die Zellenspannung als eine Funktion der Oxidbeschichtung und der Betriebsfaktoren, wie der Temperatur des Stapels und/oder der Umgebungstemperatur, der relativen Feuchtigkeit und des Sauerstoffpartialdrucks, zu berechnen. Die Impulsfrequenz kann unter Verwendung des Modells in Echtzeit bestimmt werden.
• Hierin wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das in einer beispielhaften Ausführungsform einen Brennstoffzellenstapel und eine Steuerung umfasst. Der Brennstoffzellenstapel hat einen Katalysator und eine Stapelspannung. Die Steuerung erhöht die Stapeleffizienz durch Entfernen oder Minimieren einer Ansammlung von Oxiden auf dem Katalysator während eines Energiespar-Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems. Die Steuerung ist so programmiert, dass sie den Energiespar-Betriebsmodus erfasst und danach die Stapelspannung während des erfassten Energiespar-Betriebsmodus dynamisch steuert. Als eine programmierte Steueraktion befiehlt die Steuerung dem Brennstoffzellenstapel Niederspannungs-/Hochleistungsimpulse mit einer Größenordnung und einer Frequenz, die zum Entfernen der Oxide ausreichen.
• Das Brennstoffzellensystem kann einen DC-DC-Aufwärtswandler enthalten, der über einen Gleichspannungsbus mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch verbunden ist. Die Steuerung in dieser Ausführungsform kann programmiert sein, um die Leistungsimpulse von dem DC-DC-Aufwärtswandler zu befehlen. Alternativ kann die Steuerung die Leistungsimpulse über die Steuerung einer Zuführrate von Sauerstoff und/oder Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel befehlen.
• In den verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuerung mit einem Modell programmiert sein, das eine Beziehung zwischen der Leerlauf-/Haltezeit des Brennstoffzellenstapels und einem Satz von Betriebsfaktoren beschreibt, wobei die Steuerung betreibbar ist, um die Frequenz der Leistungsimpulse in Echtzeit unter Verwendung der katalytisches Modell einzustellen. Die Betriebsfaktoren können eine Temperatur (Umgebung und/oder Stapel), relative Feuchtigkeit und Sauerstoffpartialdruck umfassen.
• Die Steuerung kann programmiert sein, um ein Alter des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen und die Frequenz der Leistungsimpulse unter Verwendung des bestimmten Alters einzustellen.
• Der Energiespar-Betriebsmodus kann der Leerlaufmodus sein, wenn das Brennstoffzellensystem eine Gleichstromversorgung in einem Fahrzeug mit einem Leerlaufmodus ist.
• Es wird auch ein Verfahren zum dynamischen Steuern der Stapelspannung in dem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das Verfahren umfasst die Erfassung eines Energiespar-Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels und dann das dynamische Steuern der Stapelspannung über eine Steuerung während des erfassten Energiespar-Betriebsmodus. Als Teil der dynamischen Steuerung befiehlt die Steuerung Niederspannungs-/Hochleistungsimpulse an den Brennstoffzellenstapel mit einer Größenordnung und einer Frequenz, die ausreichend sind, um Oxide von dem Katalysator zu entfernen.
• Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
• Figurenliste
• 1 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Steuerung, die konfiguriert ist, um die Stapeleffizienz unter Verwendung eines gezielten Niederspannungs-/Hochleistungspulsierens während bestimmter Energiespar-Betriebsmodi, wie hierin dargelegt, zu verbessern.
• 2 ist ein Referenzleistungsprofil, das abnehmende Stapelleistung mit zunehmender Haltezeit beschreibt, wobei die Zeit auf der horizontalen Achse und der Leistungspegel und die Stromdichte auf der vertikalen Achse dargestellt sind.
• 3 ist ein Leistungsprofil mit periodischen Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen, wobei die Zeit auf der horizontalen Achse und der Leistungspegel und die Zellenspannung auf der vertikalen Achse dargestellt sind.
• 4 ist ein weiteres Leistungsprofil mit periodischen Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen und zeigt den altersbedingten Spannungsabfall, wobei die Zeit auf der horizontalen Achse und die Zellenspannung und die Stromdichte auf der vertikalen Achse aufgetragen sind.
• 5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum dynamischen Steuern der Zellenspannung während Energiespar-Betriebsmodi in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem beschreibt.
• Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin sich in den mehreren Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale beziehen, ist ein exemplarisches Brennstoffzellensystem 12 schematisch in 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 14 eines Typs, der zur Verwendung als Gleichstrom-Stromversorgung (DC-Stromversorgung) in einem Fahrzeug 10, beispielsweise wie gezeigt einem Kraftfahrzeug, oder einem Seefahrzeug, einem Raumfahrzeug, einem Roboter oder einer anderen mobilen Plattform geeignet ist. Der Brennstoffzellenstapel 14 kann auch in einem stationären Kraftwerk oder einem anderen System verwendet werden, das eine bordeigene Erzeugung von Gleichstrom erfordert. Zur Veranschaulichung wird der Brennstoffzellenstapel 14 im Folgenden im Zusammenhang mit einer Antriebsfunktion an Bord des Fahrzeugs 10 beschrieben, ohne den Brennstoffzellenstapel 14 auf solche Anwendungen zu beschränken.
• Der Brennstoffzellenstapel 14 beinhaltet Brennstoffzellen 15, die zwischen jeweiligen Anoden- und Kathodenplatten 14A und 14C angeordnet sind. Während der spezielle Typ von Brennstoffzellenstapel 14 und die konstituierenden Brennstoffzellen 15 mit der Anwendung des Brennstoffzellensystems 12 variieren können, können die Brennstoffzellen 15 in einer beispielhaften Ausführungsform ein Polymerelektrolytmembran-/Protonenaustauschmembran-Typ (PEM-Typ) sein um eine relativ hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht und Volumen zu liefern. Brennstoffzellen von dem PEM-Typ verwenden einen Katalysator in Form von Platin oder einer Platinlegierung und ein Festelektrolytpolymermaterial (nicht dargestellt). Somit können sich die Oxide, die oben erwähnt wurden, in einer solchen Ausführungsform auf den Platin-/ Platinlegierungsmaterialien bilden, was letztendlich die Stapelspannung reduziert. Die Brennstoffzellen 15 arbeiten, wenn sie als PEM-Brennstoffzellen konfiguriert sind, unter Verwendung einer Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff (Pfeil H2) von einem Wasserstoffspeichertank 18 und einer Zufuhr von Sauerstoff (Pfeil O2) von Umgebungsluft (Pfeil A) über einen Kompressor (COMP) 16 oder über einen Sauerstoffspeichertank (nicht dargestellt).
• Als Teil des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 12 ist eine Steuerung (C) 50 mit Anweisungen programmiert, die das Verfahren 100 verkörpern. Die Steuerung 50 ist ansonsten wie unten beschrieben konfiguriert, um den Gesamtbetriebswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 14 zu verbessern. Bei niedrigen Stromdichten, die für ungefähr 80% oder mehr der Betriebszeit in dem Fahrzeug 10 vorhanden sein können, wird die Stapeleffizienz stark durch die Stapelspannung beeinflusst. Somit kann eine dynamische Steuerung einer Leistungsanforderung über das Verfahren 100 während Energiespar-Betriebsmodi verwendet werden, um die katalytische Aktivität des Brennstoffzellenstapels 14 zu verbessern, insbesondere durch intermittierendes Anlegen von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen an den Brennstoffzellenstapel 14, um die Zellenspannung während verlängerter Haltezeiten zu maximieren.
• Um die gewünschten Enden der Minimierung der Oxidbildung auf dem in dem Brennstoffzellenstapel 14 verwendeten Katalysator zu erreichen, kann die Steuerung 50 mit einem katalytischen Modell 60 programmiert werden, wie hierin mit Bezug auf die 2-5 beschrieben. Das katalytische Modell 60 kann wiederum von der Steuerung 50 während Energiespar-Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems 12 verwendet werden, um laufende Änderungen der katalytischen Aktivität abzuschätzen, die mit erhöhter Haltezeit auftreten, d. h. wenn im Leerlauf bei niedrigen Stromausgangspegeln von der Brennstoffzellenstapel 14. Optional kann die Steuerung 50 das katalytische Modell 60 über die Zeit auf der Grundlage einer Alterung des Brennstoffzellenstapels 14 aktualisieren, z. B. kann eine Leistungsimpulsfrequenz mit der Zeit erhöht werden, wie nachstehend erläutert wird. Als ein Ergebnis der Verwendung des Verfahrens 100 werden Oxide sanft von dem Katalysator des Brennstoffzellenstapels 14 entfernt, wodurch ermöglicht wird, dass der Brennstoffzellenstapel 14 bei höheren relativen Effizienzniveaus arbeitet.
• In dem beispielhaften Brennstoffzellensystem 12 von 1 ist eine Stapelumgehungsleitung 19 um den Brennstoffzellenstapel 14 herumgeführt. Ein Umgehungsventil 17, das innerhalb der Umgehungsleitung 19 angeordnet ist, hat eine variable offene/geschlossene Position, die über die Steuerung 50 eingestellt werden kann. Die Steuerung des Umgehungsventils 17 ermöglicht, dass die Steuerung 50 den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 reguliert, indem eine Sauerstoffmenge (Pfeil O2) eingestellt wird, die durch den Brennstoffzellenstapel 14 strömt oder diesen umgeht. Sauerstoffhaltige Luft, die aus dem Umgehungsventil 17 abgegeben wird, kehrt schließlich zu dem Kathodenauslaß zurück (Pfeil C_EX), wird von der Kathodenplatte 14C ausgestoßen, bevor sie aus dem Brennstoffzellenstapel 14 entlüftet wird. Anodenabgas (Pfeil A_EX) wird in ähnlicher Weise von der Anodenplatte 14A entlüftet.
• Das Brennstoffzellensystem 12 von 1 beinhaltet ferner eine Spannungsüberwachungsschaltung (VMC) 20. Die VMC 20 kann konfiguriert sein, um einen Spannungspegel des Brennstoffzellenstapels 14 zu überwachen, der im Folgenden als eine Stapelspannung bezeichnet wird, um minimale und maximale Zellenspannungen der einzelnen Brennstoffzellen 15 zu messen und um eine durchschnittliche Zellenspannung zu berechnen. Solche kollektiven Spannungssteuerwerte (Pfeil Vc) können von der Steuerung 50 verwendet werden, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 als Reaktion auf sich ändernde Leistungsanforderungen zu steuern, wie zum Beispiel eine erhöhte Fahrerdrosselanforderung in der veranschaulichten Ausführungsform des Fahrzeugantriebs.
• Zusätzlich umfasst das Brennstoffzellensystem 12 einen elektrischen Hochspannungsbus 21, der elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 14 gekoppelt ist. Eine Hochspannungsbatterie (B_HV) 26, die mit dem elektrischen Hochspannungsbus 21 verbunden ist, wirkt als eine Leistungssenke oder eine Energieversorgung, um alternativ Gleichstrom zu speichern oder zu ergänzen, der durch den Brennstoffzellenstapel 14 bereitgestellt wird. Ein DC-DC-Aufwärtswandler 28, der zwischen dem Brennstoffzellenstapel 14 und der Hochspannungsbatterie 26 positioniert ist, kann einen DC-Spannungspegel von dem Brennstoffzellenstapel 14 auf ein höheres Niveau erhöhen, das geeignet ist, den Hochspannungsbus 21 und angeschlossene elektrische Vorrichtungen zu erregen.
• Wenn beispielsweise das Brennstoffzellensystem 12 verwendet wird, um eine Wechselstrom-Vorrichtung (AC-Vorrichtung), wie etwa eine mehrphasige elektrische Maschine (M_E) 34 anzutreiben, kann die Leistungsanforderung der elektrischen Maschine 34 das Niveau der Ausgabe von dem Brennstoffzellenstapel 14 übersteigen. Der Aufwärtswandler 28 wirkt somit dahingehend, die der elektrischen Maschine 34 zugeführte Gleichspannung zu erhöhen, wobei die Hochspannungsbatterie 26 der elektrischen Maschine 34 bei Bedarf auch Gleichstrom liefert. Zusätzlich kann ein Leistungswechselrichtermodul (PIM) 30 elektrisch mit dem Hochspannungsbus 21 verbunden sein und verwendet werden, um die Gleichspannung auf dem Hochspannungsbus 21 in eine Wechselspannung (VAC) umzuwandeln, die zum Erregen von Phasenwicklungen 31 der elektrischen Maschine 34, z. B. einen zum Antreiben des Fahrzeugs 10 geeigneten Fahrmotor, geeignet ist. Abtriebsdrehmoment (Pfeil To) von der elektrischen Maschine 34 kann an ein Ausgangselement 36 geliefert werden, um Arbeit an Bord des Fahrzeugs 10 oder eines anderen Systems durchzuführen.
• Ein Satz von Schaltern oder Schützen (S_C), der auch ein Teil des Brennstoffzellensystems 12 ist, kann über die Steuerung 50 gesteuert werden, um den Brennstoffzellenstapel 14 von dem Rest des Brennstoffzellensystems 12 zu trennen, beispielsweise wenn das Fahrzeug 10 nicht in Betrieb ist oder während eines möglichen elektrischen Hochspannungsfehlers. Hilfsenergie für eine Hilfsbatterie (B_AUX) 24 kann innerhalb des Brennstoffzellensystems 12 optional über ein Hilfsleistungsmodul (APM) 22, beispielsweise einen DC-DC-Abwärtswandler, vorgesehen sein, der dazu verwendet werden kann, Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus 21 zur Speicherung in der Hilfsbatterie 24 auf niedrigere geeignete Pegel, z. B. 12-15 VDC, zu reduzieren.
• Bezugnehmend auf 2 beschreibt ein Leistungsprofil 65 das Phänomen der abnehmenden Leistungsdichte (Spur 62) des Brennstoffzellenstapels 14 von 1 mit zunehmender Haltezeit, wobei die Zeit in Sekunden dargestellt wird, d. h. t(s). Eine geringe Stromdichte (Kurve 64) von etwa 0,1 Ampere/Quadratzentimeter (A/cm²) zeigt ein im Leerlauf befindliches Fahrzeug 10 oder einen anderen Energiespar-Betriebsmodus an. Die Leistungsdichte (Kurve 62), in Watt/Zentimeter (W/cm²), wird als mit einer ausgeprägten Rate abnehmend dargestellt, nachdem der Brennstoffzellenstapel 14 für einen längeren Zeitraum im Leerlauf gelassen wurde, hier als ungefähr 34 Stunden gezeigt. Für das Beispielfahrzeug 10 von 1 kann dies dem Fahrzeug 10 entsprechen, das geparkt wird und an einem typischen Wochenende nicht benutzt wird.
• 3 und 4 zeigen den Abfall des Stapelstroms bzw. der Stapelspannung bei einem/einer gegebenen Haltepotential, Temperatur, relativer Feuchtigkeit und Sauerstoffpartialdruckpegel. In 3 enthalten die Spuren 70 die Stromdichte (Kurve 72) und die Spannung (Kurve 74) des Brennstoffzellenstapels 14. In ähnlicher Weise umfassen die Spuren 80 von 4 eine Stromdichte (Kurve 82) und eine Spannung (Kurve 84) des Brennstoffzellenstapels 14. Es wird somit beobachtet, dass die Abklingrate eine Funktion bestimmter Betriebsbedingungen ist und somit für einen gegebenen Brennstoffzellenstapel 14 über das katalytische Modell 60 modelliert werden kann, das wiederum in Echtzeit durch die Steuerung 50 zugänglich ist. Unter Verwendung des katalytischen Modells 60 ist die Steuerung 50 somit in der Lage, den Zeitpunkt und die Größenordnung von intermittierenden Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen zu dem Brennstoffzellenstapel 14 während Energiespar-Betriebsmodi als Teil des Verfahrens 100 zu bestimmen.
• 5 zeigt eine exemplarische Ausführungsform des oben angeführten Verfahrens 100. Aspekte des Verfahrens 100 können durch computerausführbare Anweisungen implementiert werden, d. h. Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme, die von der Steuerung 50 ausgeführt werden. Die Software kann in einer Vielzahl von Speichern (M) der Steuerung 50 gespeichert sein, einschließlich computerlesbarer Daten wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher, wie z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM. Darüber hinaus, obwohl sie in 1 als eine einzelne Steuerung 50 dargestellt ist, können Aspekte des Verfahrens 100 in verteilten Rechnerumgebungen praktiziert werden, in denen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetzwerk, z. B. einen CAN-Bus (Controller Area Network) (nicht dargestellt) verbunden sind. Obwohl unter Bezugnahme auf 5 ein spezifischer Algorithmus beschrieben wird, können andere Verfahren zum Implementieren der beispielhaften maschinenlesbaren Anweisungen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung verwendet werden.
• Beginnend mit Schritt S102 kann die Steuerung 50 als Schwellenwerteintrittsbedingung für das Verfahren 100 zuerst bestimmen, ob ein Energiespar-Betriebsmodus aktiv ist, z. B. ein Leerlauf-/Energiesparabschnitt eines Fahrzyklus des Fahrzeugs 10. Das Verfahren 100 geht weiter zu Schritt S104, wenn die Schwellenwerteintrittsbedingung erfüllt ist.
• Schritt S104 umfasst das Berechnen der Effizienz des Brennstoffzellenstapels 14 für den gegenwärtigen Fahrzyklus. Zum Beispiel kann Schritt S104 das Ausführen der folgenden Operation beinhalten: $$P_{GROSS}=I\cdot V$$

  

  $$P_{NET}=P_{GROSS}-P_{PARASITIC}$$

  

  $$P_{NET}=P_{GROSS}-P_{PARASITIC}$$

  

  $$n_{H2}=\frac{1}{2F}+n_{XOVER}+n_{BLEED}$$

  

  $$\eta =\frac{P_{NET}}{\left(n_{H2}\cdot 242kJ\text{/}mol\right)}$$

  

  worin P_GROSS die Stapel-Bruttostromerzeugung in kW ist, I ist der Stapelstrom in Ampere, V ist die Stapelspannung in Volt, P_NET ist die FCS-Nettoleistung, die dem Fahrzeug in kW zur Verfügung gestellt wird, P_PARASITIC ist der Stromverbrauch von anderen Komponenten in der FCS (d. h. der Kompressor, Kühlmittelpumpe, etc.) in kW, F ist die Faraday-Konstante (96.485 C/mol e^-), n_X-OVER ist Wasserstoffüberquerung von Anode zu Kathode durch die Brennstoffzellenmembran (PEM) in mol/s, n_BLEED ist der Wasserstoffverlust aufgrund des periodischen absichtlichen Ausblutens des H2/N2-Gemisches von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels in mol/s und η ist die Stapeleffizienz. Das Verfahren 100 geht zu Schritt S106 über, sobald die Effizienz berechnet wurde.
• In Schritt S106 bestimmt die Steuerung 50 als nächstes, ob die in Schritt S104 berechnete Stapeleffizienz geringer ist als eine kalibrierte Schwellenwertstapeleffizienz, d. h. eine kalibrierte minimale Stapeleffizienz, die zum Aufrechterhalten von Energiespar-Fahrzyklus-Betrieben benötigt wird. Das Verfahren 100 geht zu Schritt S108 über, wenn die berechnete Stapeleffizienz die Schwellenwertstapeleffizienz überschreitet, und zu Schritt S110, wenn die berechnete Stapeleffizienz geringer ist als die Schwellenwertstapeleffizienz.
• Schritt S108 umfasst das Warten für eine kalibrierte Dauer vor dem Wiederholen von Schritt S104. Schritt S108 ist erreicht, wenn die Stapeleffizienz von Schritt S104 höher als die Schwellenwertstapeleffizienz bleibt, was bedeutet, dass ein Energiepulsen noch nicht erforderlich ist. Es wird das Verstreichen einer ausreichenden Zeit ermöglicht, damit vor dem Wiederholen von Schritt S104 ein Effizienzabfall auftritt.
• Schritt S110 umfasst das periodische Anlegen von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen an den Brennstoffzellenstapel 14. Zum Beispiel kann Schritt S110 das Anwenden einer kalibrierten Anzahl (n) von gleich beabstandeten Impulsen einer festen Größenordnung umfassen. Als Teil von Schritt S110 kann die Steuerung 50 das Berechnen einer modellierten Effizienz, d. h. der Effizienz des Brennstoffzellenstapels 14 nach der Injektion der Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen umfassen. Die Impulse können weniger als etwa 10 Sekunden dauern und sollten idealerweise die Spannung auf weniger als etwa 0,7 VDC pro Zelle ansteuern, um eine wirksame Entfernung der Platinoxidschicht sicherzustellen. Pluspunkte können oder können nicht gleichmäßig beabstandet sein und könnten einen einzigen Impuls enthalten, wenn dies ausreichend ist. Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt 112.
• In Schritt S112 bewertet die Steuerung 50 iterativ die kalibrierte Anzahl (n) von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen von Schritt S110, sodass die modellierte Effizienz gleich der minimalen Stapeleffizienz ist, die zum Aufrechterhalten von Energiespar-Betriebsmodi von Schritt S106 benötigt wird. Mit anderen Worten enthält Schritt S112 das Einstellen der Dauer zwischen den angelegten Impulsen, um die Stapeleffizienz auf oder über der minimalen Effizienz zu halten. Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt S114.
• Schritt S114 kann das Bestimmen umfassen, ob die kalibrierte Anzahl (n) von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen kleiner als eine kalibrierte Schwellenwertanzahl (N) solcher Impulse ist, wobei die Anzahl (N) durch Faktoren wie Batteriekapazität und Haltbarkeit gesteuert wird. Somit stellt der Schritt S114 sicher, dass die Leistungsfähigkeit und Integrität der Hochspannungsbatterie 26 von 1 beibehalten wird. Das Verfahren 100 geht zu Schritt S118 über, wenn die kalibrierte Anzahl (n) von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen von Schritt S110 kleiner als die kalibrierte Schwellenwertanzahl (N) von solchen Impulsen ist, und in der Alternative zu Schritt S116 wenn n>N ist.
• In Schritt S116 umfasst das Verfahren 100 das Anlegen der N Impulse an den Fahrzyklus und das nachfolgende Berechnen der Stapeleffizienz für den Energiespar-Fahrzyklus. Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt S119.
• Schritt S118 umfasst das Anlegen der (n) Impulse während des gegenwärtigen Fahrzyklus, das Berechnen der Stapeleffizienz nach dem Anlegen der (n) Impulse und dann das Fortschreiten zu Schritt S119.
• Schritt S119 umfasst das Bestimmen, ob die berechnete Stapeleffizienz von den Schritten S116 oder S118 während des Energiespar-Fahrzyklus geringer ist als die minimale Stapeleffizienz bei Niedrigleistung. Wenn ja, fährt das Verfahren 100 mit Schritt S110 fort. Andernfalls fährt das Verfahren 100 mit Schritt S120 fort.
• In Schritt S120 erhöht die Steuerung 50 als nächstes einen Impulszähler, sodass die kalibrierte Anzahl (n) von Impulsen gleich (n+1) ist. Das Verfahren 100 geht dann über zu Schritt S114.
• Unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens 100 kann die Oxidbeschichtung eines Katalysatormaterials, das bei der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 14 von 1 verwendet wird, entfernt oder minimiert werden. Die Steuerung 50 kann das Verfahren 100 in einer optimalen Weise ausführen, indem eine Größenordnung und Frequenz von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen zu dem Brennstoffzellenstapel 14 als eine Funktion von Betriebsfaktoren, wie Umgebungs- und/oder Stapeltemperatur, relative Feuchtigkeit, und Sauerstoffpartialdruck quantifiziert wird, und dann das selektive Anlegen der Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen während Energiespar-Betriebsmodi, insbesondere solche mit einer niedrigen Stromdichte, die den bestimmten Bedingungen in dem katalytischen Modell 60 entsprechen. Die Oxidreduktion, die mit der Injektion der Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen verbunden ist, ob über die Steuerung des Aufwärtswandlers 28 über einen ersten Satz von Steuersignalen (Pfeil CC_E) oder über die Steuerung einer Luftstrommenge in den Brennstoffzellenstapel 14 über einen zweiten Satz von Steuersignalen (Pfeil CC_A), kann gegen den Effizienzverlust aufgrund der damit verbundenen Stromkosten betrachtet werden.
• Mögliche Steuermaßnahmen zum Bereitstellen der Niederspannungsimpulse können die Steuerung der Sauerstoffströmung (O2) durch die Kathodenplatte 14C des Brennstoffzellenstapels 14 und/oder das Austreten von Wasserstoff (H2) aus der Anodenplatte 14A umfassen. Das heißt, die Steuerung 50 kann konfiguriert sein, um die Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen durch Steuern einer Rate der Zufuhr von mindestens einem von dem Sauerstoff (O2) über den Kompressor 16 und dem Wasserstoff (H2) von dem Speichertank 18 zu steuern. Alternativ können Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen über den Aufwärtswandler 28 in den Brennstoffzellenstapel 14 injiziert werden. Die Strömungssteuerung des Brennstoffzellenstapels 14 hat eine langsamere erwartete Antwortzeit, wäre aber für einen Bediener des Fahrzeugs 10 im Wesentlichen transparent, während die aktive Energiesteuerung eine schnelle Antwortzeit erreicht, jedoch von einem Bediener wahrgenommen werden kann. Bei jedem Ansatz wird die Pulsationsfrequenz bei Energiespar-Betriebsmodi/im Leerlauf durch die Steuerung 50 in einer Weise bestimmt, die geeignet ist sicherzustellen, dass die Stapeleffizienz des Brennstoffzellenstapels 14 oberhalb einer kalibrierten minimalen Stapeleffizienz bleibt.
• Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen definiert. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und/oder Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.

Claims (10)

1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Katalysator und einer Stapelspannung; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Ansammlung von Oxiden auf dem Katalysator während eines Energiespar-Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems zu minimieren oder zu entfernen, wobei die Steuerung programmiert ist: den Energiespar-Betriebsmodus zu erkennen; und die Stapelspannung während des erkannten Energiespar-Betriebsmodus durch Befehlen periodischer Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen an den Brennstoffzellenstapel mit einer Größenordnung und einer Frequenz dynamisch zu steuern, die zum Minimieren oder Entfernen der Ansammlung der Oxide ausreichend sind und dadurch eine Basiseffizienz des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Gleichstrom-(DC)-DC-Aufwärtswandler, der über einen Gleichspannungsbus elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, wobei die Steuerung so programmiert ist, dass sie die Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen von dem DC-DC-Aufwärtswandler befiehlt.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte umfasst, wobei das Brennstoffzellensystem ferner umfasst: einen Kompressor, der zum Zuführen von Sauerstoff zu der Kathodenplatte betreibbar ist; und einen Wasserstoffspeichertank, der zum Zuführen von Wasserstoff zu der Anodenplatte betreibbar ist; wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen durch Steuern einer Rate der Zufuhr von mindestens dem Sauerstoff und/oder dem Wasserstoff zu steuern.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen über Steuern der Rate der Zufuhr des Sauerstoffs und des Wasserstoffs zu steuern.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung mit einem katalytischen Modell programmiert ist, das eine Beziehung zwischen einer Leerlauf-/Haltezeit des Brennstoffzellenstapels, die dem Energiespar-Betriebsmodus entspricht, und einer Mehrzahl von Betriebsfaktoren beschreibt, und zum Einstellen des Frequenz der Niederspannungs-/Hochleistungsimpulse in Echtzeit unter Verwendung des katalytischen Modells.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Betriebsfaktoren eine Umgebungstemperatur oder eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels, die relative Feuchtigkeit und den Sauerstoffpartialdruck umfassen.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuerung so programmiert ist, dass sie ein Alter des Brennstoffzellenstapels bestimmt und die Frequenz der Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen unter Verwendung des bestimmten Alters einstellt.
8. Verfahren zum dynamischen Steuern einer Stapelspannung in einem Brennstoffzellenstapel mit einem Katalysator, wobei das Verfahren umfasst: Erfassung eines Energiespar-Betriebsmodus des Brennstoffzellenstapels; und Dynamisches Steuern der Stapelspannung über eine Steuerung während des erkannten Energiespar-Betriebsmodus durch Befehlen von Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen an den Brennstoffzellenstapel mit einer Größenordnung und Frequenz, die zum Minimieren oder Entfernen einer Ansammlung von Oxiden von dem Katalysator ausreichen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, einschließlich eines Gleichstrom-(DC)-DC-Aufwärtswandlers, der elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel über einen Gleichspannungsbus verbunden ist, wobei das dynamische Steuern der Stapelspannung das Befehlen der Niederspannungs-/Hochleistungsimpulsen von dem DC-DC-Aufwärtswandler beinhaltet.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte umfasst, wobei das dynamische Steuern der Stapelspannung das Steuern einer Rate des Zuführens von mindestens einem von Sauerstoff und Wasserstoff in die jeweilige Kathodenplatte und Anodenplatte umfasst.

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