DE102019100421A1

DE102019100421A1 - Brennstoffzellensystem für ein fahrzeug

Info

Publication number: DE102019100421A1
Application number: DE102019100421.7A
Authority: DE
Inventors: Matthew Riley; Craig MATHIE; Milos Milacic
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2019-07-11
Also published as: US20190214662A1; CN110034313A; US11024860B2

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Ein Brennstoffzellenstack erzeugt Leistung und ein Kühlmittelsystem stellt einen Kühlmittelfluss durch den Stack bereit. Eine Steuerung ist dazu konfiguriert, als Reaktion darauf, dass mindestens eine von einer Umgebungstemperatur und einer Kühlmitteltemperatur nach einem Fahrzeugabschaltbefehl unter einem Schwellenwert liegt, dem Kühlmittelsystem zu befehlen, Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen, um Eisbildung im Stack zu verringern, bevor sie eine Spülung des Brennstoffzellenstacks befiehlt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Vorbereiten des Brennstoffzellensystems auf eisige Umgebungsbedingungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es ist bekannt, dass eine Anzahl von Brennstoffzellen zusammengefügt werden können, um einen Brennstoffzellenstapel (ein sogenannter „Stack“) zu bilden. Ein derartiger Stack stellt elektrischen Strom als Reaktion auf ein elektrochemisches Umwandeln von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser bereit. Der bei einem derartigen Prozess erzeugte elektrische Strom wird dazu verwendet, verschiedene Vorrichtungen in einem Fahrzeug oder einer anderen derartigen Maschine anzutreiben. Ein Vorrat stellt dem Brennstoffzellenstack im Allgemeinen Wasserstoff oder einen anderen Brennstoff bereit. Während des Brennstoffzellenbetriebs können sich Nebenprodukte wie etwa Produktwasser und Stickstoff und unverbrauchter Wasserstoff zum Beispiel an der Anodenseite eines Brennstoffzellenstacks bilden. Flüssiges Wasser, wie etwa Tröpfchen, oder Wasserdampf kann kondensieren und muss entfernt werden, um Wasserblockaden innerhalb der Brennstoffzellenstack-Strömungsfeldkanäle zu verhüten.
Für eine Brennstoffzellenanwendung in einem Fahrzeug kann es erforderlich sein, dass die Brennstoffzelle in eisigen Umgebungstemperaturen betrieben und gelagert wird. Das Fahrzeug und die Brennstoffzelle können Temperaturen von -25 °C oder darunter, deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser, ausgesetzt sein. Damit ein Brennstoffzellenfahrzeug in Klimazonen mit extremen Umgebungstemperaturen funktioniert und die Benutzererwartungen für das Fahrzeug erfüllt werden, müssen Betriebsprobleme bei kaltem Wetter gelöst werden. Wenn das Fahrzeug und die Brennstoffzelle ausgeschaltet und eisigen Bedingungen ausgesetzt sind, kann etwaiges flüssiges Wasser, das sich im Brennstoffzellensystem befindet, gefrieren und Eisblockaden bilden, die einen Reaktanten- oder Nebenproduktfluss verhindern und zu einem verzögerten oder erfolglosen Starten des Brennstoffzellensystems oder einer Verminderung der Betriebsleistung führen können.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack zur Erzeugung von Leistung und ein Kühlmittelsystem bereitgestellt, das dazu konfiguriert ist, einen Kühlmittelfluss durch den Stack bereitzustellen. Eine Steuerung wird bereitgestellt und ist dazu konfiguriert, als Reaktion auf ein Signal, das anzeigt, dass eine Umgebungstemperatur nach einem Fahrzeugabschaltbefehl unter einem Schwellenwert liegt, dem Kühlmittelsystem zu befehlen, Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen, bevor sie eine Spülung des Brennstoffzellenstacks befiehlt.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems bereitgestellt. Als Reaktion darauf, dass nach einem Fahrzeugabschaltereignis mindestens eine von einer Umgebungstemperatur und einer Kühlmitteltemperatur unter einem Schwellenwert liegt, wird eine Pumpe in einem Kühlmittelsystem betrieben, während Kühlmittel in einem Brennstoffzellenstack eine nicht gleichförmige Temperatur aufweist, um Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen und eine Eisbildung in dem Stack vor einer Spülung des Brennstoffzellenstacks mit Gasen zu verringern.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform;
2 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Kühlmittelsystems zur Verwendung mit dem Brennstoffzellensystem aus 1;
3 veranschaulicht eine perspektivische Teilansicht einer Brennstoffzellenplatte gemäß einer Ausführungsform zur Verwendung mit dem Brennstoffzellensystem aus 1;
4 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform; und
5 veranschaulicht ein Schaubild von Brennstoffzellensystem- und Kühlmittelsystemparametern, wie sie aus dem Verfahren von 4 resultieren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Zweckmäßigerweise werden hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt sein können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übergroß oder minimiert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind die spezifischen hier offenbarten strukturellen und funktionalen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern als eine repräsentative Grundlage, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Offenbarung auf verschiedene Weise einzusetzen ist. Eine Beschreibung von Bestandteilen in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zur Zeit der Hinzufügung zu einer beliebigen Kombination, die in der Beschreibung angegeben ist, und schließt chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen der Mischung nach dem Mischen nicht notwendigerweise aus.
Es versteht sich, dass eine hierin offenbarte Schaltung oder andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festspeicher (EPROM), elektrisch programmierbarer und löschbarer Festspeicher (EEPROM), nichtflüchtiger Direktzugriffsspeicher (NVRAM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software beinhalten kann, die miteinander zusammenwirken, um einen hierin offenbarten Ablauf bzw. Abläufe durchzuführen. Darüber hinaus können eine beliebige oder mehrere der hierin offenbarten elektrischen Vorrichtungen dazu konfiguriert sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichttransitorischen computerlesbaren Medium verkörpert ist, das dazu programmiert ist, eine beliebige Anzahl der hierin offenbarten Funktionen durchzuführen.
1 veranschaulicht schematisch ein Brennstoffzellensystem 10 als ein Prozessablaufdiagramm gemäß mindestens einer Ausführungsform. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem 10 in einem Fahrzeug 11 dazu verwendet werden, elektrische Leistung zum Betreiben eines Elektromotors bereitzustellen, um das Fahrzeug vorwärtszutreiben oder andere Fahrzeugfunktionen durchzuführen. Das Brennstoffzellensystem 10 kann eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) sein, wie sie in der Technik bekannt ist. Das System 10 kann in einem brennstoffzellenbasierten Elektrofahrzeug 11 oder einem brennstoffzellenbasierten Hybridfahrzeug 11 oder einer beliebigen anderen derartigen Maschine umgesetzt sein, die elektrischen Strom verwendet, um verschiedene Vorrichtungen anzutreiben.
Das System 10 weist einen Brennstoffzellenstack („der Stack“) 12 auf. Der Stack 12 beinhaltet mehrere Zellen, wobei jede Zelle 13 eine Anodenseite 14, einen Kathodenseite 16 und eine Membran 18 dazwischen aufweist. Jede Zelle kann eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte mit Kanälen oder anderen darin gebildeten Strukturen aufweisen, um die Flüsse der Anoden- und Kathodengase zu steuern. Ein Beispiel einer Anodenplatte wird bezugnehmend auf 3 nachfolgend veranschaulicht.
Es ist nur eine Brennstoffzelle 13 des Brennstoffzellenstacks 12 in 1 veranschaulicht, obwohl der Stack 12 eine beliebige Anzahl von Zellen enthält. Der Stack 12 kommuniziert elektrisch mit zum Beispiel einem Hochspannungsbus 20 oder einer Traktionsbatterie und stellt diesem/r Energie bereit. Der Stack 12 generiert Stackstrom als Reaktion auf ein elektrochemisches Umwandeln von Wasserstoff und Sauerstoff. Der Stack 12 kann auch einen Kühlkreis aufweisen, wie nachfolgend bezugnehmend auf 2 beschrieben.
Verschiedene elektrische Vorrichtungen können mit der Batterie 20 gekoppelt sein, um derartige Leistung für ihren Betrieb zu verbrauchen. Wenn das System 10 in Verbindung mit einem Fahrzeug 11 verwendet wird, können die Vorrichtungen einen Motor oder eine Vielzahl von elektrischen Fahrzeugkomponenten beinhalten, die jeweils Leistung verbrauchen, um für einen bestimmten Zweck zu funktionieren. Zum Beispiel können derartige Vorrichtungen unter anderem mit einem Fahrzeugantriebsstrang, einer Kabinenheizung und -kühlung, einer Innen-/Außenbeleuchtung, Unterhaltungsvorrichtungen und elektrisch schließenden Fenstern assoziiert sein. Die spezifischen Arten von Vorrichtungen, die in dem Fahrzeug umgesetzt sind, können basierend auf dem Fahrzeuginhalt, der Art von verwendetem Motor und der spezifischen Art des umgesetzten Brennstoffzellenstacks variieren.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 können sich Produktwasser, Restbrennstoff wie etwa Wasserstoff und Nebenprodukte wie etwa Stickstoff an der Anodenseite 14 des Brennstoffzellenstacks 12 ansammeln. Es wurden Versuche unternommen, das flüssige Produktwasser und Nebenprodukte zu entfernen und den Restwasserstoff und zumindest einen Teil des Wasserdampfs wiederzuverwenden. Ein Ansatz besteht darin, diese Bestandteile in einer Spülbaugruppe 36 nachgelagert dem Brennstoffzellenstack 12 zu sammeln, mindestens einen Teil des flüssigen Wassers abzuscheiden, etwas von dem flüssigen Wasser und Stickstoff auszuspülen und die verbleibenden Bestandteile über einen Rückleitungsdurchgang in einem Rückführungskreis 34 zum Brennstoffzellenstack 12 zurückzuleiten.
Eine primäre Brennstoffquelle 22 ist mit der Anodenseite 14 des Brennstoffzellenstacks 12 verbunden, wie etwa eine primäre Wasserstoffquelle, um eine Versorgungsbrennstoffströmung (oder eine Anodenströmung) bereitzustellen. Nichteinschränkende Beispiele der primären Wasserstoffquelle 22 sind ein Hochdruck-Wasserstofflagertank oder eine Hydridlagervorrichtung. Zum Beispiel können flüssiger Wasserstoff, in verschiedenen Chemikalien gelagerter Wasserstoff wie etwa Natriumborhydrid oder Alanate, oder in Metallhydriden gelagerter Wasserstoff anstatt komprimiertem Gas verwendet werden. Ein Tankventil 23 steuert den Fluss des Versorgungswasserstoffs. Ein Druckregler 25 regelt den Fluss des Versorgungswasserstoffs.
Die Wasserstoffquelle 22 ist mit einem oder mehreren Ejektoren 24 verbunden. Der Ejektor kann ein variabler oder mehrstufiger Ejektor oder ein anderer geeigneter Ejektor sein. Der Ejektor 24 ist dazu konfiguriert, den Versorgungswasserstoff (z. B. von der Quelle 22 empfangener Wasserstoff) mit unverbrauchtem Wasserstoff (z. B. vom Brennstoffzellenstack 12 rückgeführt) zu kombinieren, um eine Eingangsbrennstoffströmung zu erzeugen. Der Ejektor 24 steuert den Fluss der Eingangsbrennstoffströmung zum Brennstoffzellenstack 12. Der Ejektor 24 weist eine Düse 26 auf, die Wasserstoff in den zusammenlaufenden Abschnitt einer zusammenlaufenden-auseinanderlaufenden Düse 28 abgibt. Der auseinanderlaufende Abschnitt der Düse 28 ist mit dem Eingang 30 der Anodenseite 14 verbunden. In anderen Beispielen können andere Vorrichtungen den Ejektor 24 ersetzen, um den Fluss von Wasserstoff zum Stack zu steuern.
Der Ausgang 32 der Anodenseite 14 ist mit einem Rückführungskreis 34 verbunden. Der Rückführungskreis 34 kann ein passiver Rückführungskreis sein, wie gezeigt, oder kann ein aktiver Rückführungskreis gemäß einer anderen Ausführungsform sein. In der Regel wird der Anodenseite 14 ein Überschuss an Wasserstoffgas bereitgestellt, um sicherzustellen, dass allen Zellen im Stack 12 ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht. Mit anderen Worten wird dem Brennstoffzellenstack 12 Wasserstoff über einem stöchiometrischen Verhältnis von eins, d. h. zu einem brennstoffreichen Verhältnis relativ zu den genauen elektrochemischen Bedürfnissen bereitgestellt. Die Strömung unverbrauchten Brennstoffs, oder Strömung rückgeführten Brennstoffs, am Anodenausgang 32 kann zusätzlich zu Wasserstoff verschiedene Unreinheiten wie etwa Stickstoff und Wasser sowohl in flüssiger als auch dampfförmiger Form beinhalten. Der Rückführungskreis 34 ist derart bereitgestellt, dass überschüssiger Wasserstoff, der von der Anodenseite 14 unverbraucht ist, zum Eingang 30 rückgeführt wird, sodass er verbraucht werden kann und nicht verschwendet wird.
Angesammeltes Wasser in flüssiger und dampfförmiger Phase ist eine Ausgabe der Anodenseite 14. Die Anodenseite 14 erfordert eine Befeuchtung für eine effiziente chemische Umwandlung und Verlängerung der Membranlebensdauer. Der Rückführungskreis 34 kann dazu verwendet werden, Wasser zur Befeuchtung des Versorgungswasserstoffgases vor dem Eingang 30 der Anodenseite 14 bereitzustellen. Alternativ dazu kann ein Befeuchter bereitgestellt werden, um die Eingangsbrennstoffströmung mit Wasserdampf anzureichern.
Der Rückführungskreis 34 enthält eine Spülbaugruppe 36, um Unreinheiten oder Nebenprodukte wie etwa überschüssigen Stickstoff, flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf aus der Rückführungsströmung zu entfernen. Die Spülbaugruppe 36 beinhaltet einen Wasserabscheider oder eine Abscheidevorrichtung 38, eine Ablassleitung 40 und ein Steuerventil 42, wie etwa ein Spülventil. Der Abscheider 38 empfängt eine Strömung oder Fluidmischung aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser vom Ausgang 32 der Anodenseite 14. Das Wasser kann gemischtphasig sein und Wasser sowohl in flüssiger als auch dampfförmiger Phase enthalten. Der Abscheider 38 entfernt zumindest einen Teil des Wassers in flüssiger Phase, das durch die Ablassleitung 40 aus dem Abscheider austritt. Zumindest ein Teil des Stickstoffgases, Wasserstoffgases und Wassers in dampfförmiger Phase kann auch aus der Ablassleitung 40 austreten und durch ein Steuerventil 42 hindurchtreten, zum Beispiel während eines Spülprozesses des Brennstoffzellenstacks 12. Das Steuerventil 42 kann ein Magnetventil oder ein anderes geeignetes Ventil sein. Der Rest des Fluids im Abscheider 38 tritt durch einen Durchgang 44 im Rückführungskreis 34 aus, der wie hierin gezeigt mit dem Ejektor 24 oder einer aktiven Rückführungsvorrichtung verbunden ist. Die Strömung in Durchgang 44 kann eine erhebliche Menge an Wasserstoff verglichen mit dem Auslass 32 enthalten. Das Fluid in Durchgang 44 wird in den zusammenlaufenden Abschnitt einer zusammenlaufenden-auseinanderlaufenden Düse 28 geleitet, wo es sich mit dem eingehenden Wasserstoff von der Düse 26 und von der Wasserstoffquelle 22 mischt.
Flüssiges Wasser kann durch die Spülbaugruppe 36 aus der Anodenseite 14 entfernt werden, um Wasserblockaden innerhalb der Kanäle und Zellen der Anodenseite 14 zu verhüten. Wasserblockaden innerhalb des Brennstoffzellenstacks 12 können zu Abnahmen der Zellenspannung und/oder Spannungsschwankungen innerhalb des Brennstoffzellenstacks 12 führen. Flüssiges Wasser kann auch vom Abscheider 38 entfernt werden, um eine Blockade oder teilweise Blockade innerhalb des Ejektors 24 zu verhüten. Der Abscheider 38, das Ventil 42 und/oder der Ejektor 24 kann/können mit einem Heizelement bereitgestellt sein, wie etwa einem Widerstandsheizelement, Peltier-Heizelement oder ähnlichem, um Eisbildung oder Blockaden zu verhüten oder Eisbildungen innerhalb des Rückführungskreises 34 zu verringern und ein Freispülen des Brennstoffzellenstacks 12 von überschüssigem Wasser und/oder Stickstoff auch unter eisigen Bedingungen zu ermöglichen.
Die Kathodenseite 16 des Stacks 12 empfängt Sauerstoff in einer Kathodenströmung, zum Beispiel als ein Bestandteil in einer Luftquelle 46 wie etwa atmosphärischer Luft. In einer Ausführungsform wird ein Verdichter 48 von einem Motor 50 angetrieben, um die eingehende Luft unter Druck zu setzen. Die unter Druck gesetzte Luft oder Kathodenströmung kann durch einen Befeuchter 52 vor dem Eintreten in die Kathodenseite 16 bei Einlass 54 befeuchtet werden. Das Wasser kann erforderlich sein, um sicherzustellen, dass Membranen (nicht gezeigt) im Brennstoffzellenstack 12 befeuchtet bleiben, um für einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstacks 12 zu sorgen. Der Ausgang 56 der Kathodenseite 16 ist dazu konfiguriert, überschüssige Luft auszustoßen und ist mit einem Ventil 58 verbunden. Die Ablassleitung 60 von der Spülbaugruppe 36 kann mit einem Auslass 62 nachgelagert dem Ventil 58 verbunden werden. In anderen Ausführungsformen können die Ablassleitungen mit anderen Stellen im Brennstoffzellensystem 10 verrohrt sein.
Der Stack 12 kann unter Verwendung eines Kühlmittelkreises 64 gekühlt werden und wird bezugnehmend auf 2 nachfolgend eingehender beschrieben. Der Kühlmittelkreis 64 weist einen Einlass 66 und einen Auslass 68 zum Stack 12 auf, um den Stack während des Betriebs der Brennstoffzelle zu kühlen. Der Kühlmittelkreis 64 kann einen Temperatursensor 70 aufweisen, um die Kühlmitteltemperatur zu bestimmen. Der Kühlmitteltemperatursensor 70 ist außerhalb des Brennstoffzellenstacks 12 positioniert und kann sich wie gezeigt dem Stack benachbart und nachgelagert befinden oder kann an anderen Stellen im Brennstoffzellensystem angeschlossen sein.
Der Stack 12 kann auch einen Feuchtigkeitssensor 72 aufweisen, der am Einlass 54 zur Kathodenseite 16 des Stacks 12 positioniert ist. Der Sensor 72 kann auch ein Temperaturerfassungsmodul beinhalten.
Eine Steuerung 74 empfängt Signale von den Sensoren 70, 72 und anderen Sensoren, die mit dem Brennstoffzellensystem 10 und Kühlmittelsystem 64 assoziiert sein können. Die Steuerung 74 kann eine einzelne Steuerung oder mehrere Steuerungen oder Module sein, die in Kommunikation miteinander stehen. Die Steuerung 74 steht auch mit dem Ventil 23, Regler 25 und Motor 50 in Kommunikation. Die Steuerung 74 kann in ein Fahrzeugsteuerungssystem integriert sein und mit einem Direktzugriffsspeicher oder anderen Datenspeichersystem verbunden sein. Die Steuerung 74 kann mit anderen Fahrzeugsensoren, wie etwa einem Außenlufttemperatursensor 76, in Kommunikation stehen.
Während des Betriebs kann das stöchiometrische Verhältnis von Gesamtreaktant pro Reaktant, das elektrochemisch für beide Reaktanten erforderlich ist, des Brennstoffzellensystems 10 basierend auf dem Brennstoffzellenbetriebszustand, Umgebungsbedingungen und ähnlichem gesteuert werden. Die Stöchiometrie kann unter Verwendung des Ventils 23 und Reglers 25 auf der Anodenseite 14 gesteuert werden, um die Flussrate von Brennstoff oder Wasserstoff zum Stack 12 zu steuern, und unter Verwendung des Verdichters 48 und Motors 50 auf der Kathodenseite 16, um die Flussrate von Luft zum Stack 12 zu steuern. Das System 10 kann durch einen Bereich von Brennstoff- und Luftstöchiometrien oberhalb von stöchiometrischen Verhältnissen von eins betrieben werden. Wenn das System 10 bei einem niedrigeren Leistungspegel betrieben wird, wird sich die Menge an Wassernebenprodukt in dem Maße verringern, wie sich die Menge an Strom, der dem Stack 12 entnommen wird, verringert.
Zum Beispiel wird während eines Spülprozesses bei in Betrieb befindlichem System überschüssiger Stickstoff und/oder Wasser aus der Anodenseite 14 der Brennstoffzelle entfernt. Wenn die Konzentration oder der Teildruck von Stickstoff in der Anodenseite 14 der Brennstoffzelle zu hoch ist, verringert sich die Leistung der Brennstoffzelle 10, da eine unzureichende Konzentration von Wasserstoff besteht oder der Teildruck von Wasserstoff zu niedrig ist. Durch Spülen der Anodenseite 14 der Brennstoffzelle wird der überschüssige Stickstoff aus der Anodenseite 14 des Stacks 12 ausgespült. Die Mischung aus Wasserstoff, überschüssigem Stickstoff und Wasser in flüssiger und dampfförmiger Phase tritt während des Spülprozesses in den Abscheider 38 ein. Das Ventil 42 wird geöffnet und veranlasst flüssiges Wasser, überschüssigen Stickstoff und einen Teil des Wasserstoffs dazu, aus der Ablassleitung 40 des Abscheiders 38 auszutreten.
Nach einer Abschaltanforderung oder einem Befehl für das Fahrzeug 11, z. B. einem Schlüsselzyklusereignis, wenn der Schlüssel aus der Zündung entfernt wird, oder einem Abschaltbefehl für das Brennstoffzellensystem 10, beendet das Brennstoffzellensystem den Betrieb. Das Brennstoffzellensystem arbeitet, wenn der Stack bei einer Betriebstemperatur ist, die im Bereich von 50-90°C liegen kann. Wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, wird das Kühlmittelsystem 64 auch abgeschaltet, wobei die Pumpe gestoppt wird, solange der Stack 12 und die Kühlmitteltemperatur innerhalb von annehmbaren Temperaturbereichen liegen.
Nach dem Abschalten kühlt sich der Brennstoffzellenstack 12 ab und die Temperatur des Brennstoffzellenstacks variiert als eine Funktion der Stelle innerhalb des Brennstoffzellenstacks, wobei die äußeren Randregionen 82 kühler als die mittlere Region 80 sind. Während sich der Stack abkühlt, kühlt sich Wasserdampf in den Anoden- und/oder Kathodengängen und -kanälen ab und kondensiert zu Flüssigkeit. Wenn sich das Brennstoffzellensystem 10 und Fahrzeug 11 in einer kalten Umgebung befindet, kann diese Flüssigkeit gefrieren und Eis bilden, insbesondere in engen Gängen und Kanälen wie den Durchlässen, und den späteren Spülprozess verhindern oder Probleme beim erneuten Starten des Brennstoffzellensystems und Fahrzeugs bei einem anschließenden Schlüssel-Ein-Ereignis verursachen.
Beim herkömmlichen Brennstoffzellensystembetrieb und bei der Vorbereitung für ein Starten unter eisigen Bedingungen wird das System während des vorangegangenen Abschaltens versuchen, etwas Wasser bei warmen Temperaturen zu verdampfen und zu entfernen, indem es trockene Spülgase durch die Anoden und Kathoden strömen lässt. Während der anschließenden Kältedurchdringung und Abkühlung des Stacks kann etwas Wasserdampf kondensieren und sich in Bereichen festsetzen, wo er schädlich wird, wenn er gefriert. Zum Beispiel können während eines Systemstarts unter eisigen Bedingungen eine oder mehrere Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstack in Umkehr übergehen, z. B. Zellenspannung von ungefähr -1 Volt oder niedriger, wenn Eisblockaden im Stack vorliegen, die den normalen Fluss von Gasen durch diesen verhindern. Zum Beispiel können die Zellenspannungsumkehrungen dadurch hervorgerufen werden, dass nicht ausreichend Wasserstoff am Anodenkatalysator vorhanden ist, dass Wasserstoff daran gehindert wird, den Katalysator zu erreichen und/oder dass die Entfernung von Abfallstoffen (Stickstoff, Argon, Wasserdampf) aus der Zelle verhindert wird.
Nachdem das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet ist und bevor der Spülprozess befohlen wird, beginnt der Brennstoffzellenstack 12 sich abzukühlen, wie oben beschrieben. Der hier genannte Spülprozess ist ein Brennstoffzellenstack-Spülereignis, das nach der Brennstoffzellensystemabschaltung eintritt, z. B. Fahrzeugschlüssel aus, und während Kältedurchdringung, wenn das Brennstoffzellensystem sich in einem Nichtbetriebszustand befindet. Wenn das Kühlsystem 64 eine Zeit lang nicht arbeitet, zum Beispiel um die Energieeffizienz des Systems zu erhöhen, kühlt der Brennstoffzellenstack 12 passiv ab, z. B. über leitende und abstrahlende Wärmeübertragung, und durchläuft einen vorübergehenden thermischen Zustand mit nicht gleichförmigen Temperaturen über den Brennstoffzellenstack 12 hinweg. Die Temperatur im Stack 12 vor dem Stackspülereignis wird wahrscheinlich nicht gleichförmig sein, wobei die mittlere Region 80 des Stacks wärmer als die äußeren Ränder 82 oder Extremitäten des Stacks ist (wie in den 2-3 gezeigt). Aufgrund dieser nicht gleichförmigen Temperaturverteilung und dem Wunsch, die Kondensation durch Verzögern der Stackspülung zu maximieren, können Durchlässe und Kanäle in den äußeren Randregionen 82 des Stacks 12 Minustemperaturen oder annähernde Minustemperaturen aufweisen und es können sich Eisblockaden bilden, bevor die Stackspülung vorgenommen wird. Zum Beispiel kann sich Eis bilden und zumindest teilweise den Anodenauslassweg der Zellen, auch als die Durchlässe bezeichnet, blockieren. Ebenso können die Anodeneinlässe oder Einlassdurchlässe bei niedrigen Temperaturen auch eine Eisbildung oder Blockaden darin aufweisen. Die Anodenauslassdurchlässe sind in der Regel eine der kälteren Zonen des Brennstoffzellenstacks, da sie sich abseits der mittleren Region und thermischen Masse des Stacks befindet. Da die Durchlässe kleine Abmessungen aufweisen und entsprechend kleine Mengen von flüssigem Wasser darin enthalten sind, tendieren sie außerdem dazu, verglichen mit größeren Wassermengen zuerst zu gefrieren.
Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung gestattet es dem Brennstoffzellenstack 12, nach einer Abschaltung abzukühlen, um eine Wasserkondensation im Stack 12 mit dem flüssigen Wasser in seiner endgültigen Ruheposition zu gestatten. Wenn der Stack 12 auf ein ausreichendes Maß abgekühlt ist und die äußere Umgebungstemperatur ein Gefrierrisiko anzeigt, kann die Steuerung 74 das Kühlsystem 64 dazu betreiben, etwaige Eisbildungen in den äußeren Randregionen 82 des Stacks zu schmelzen, eine gleichförmigere Stacktemperatur mit zusätzlicher Kondensation bereitzustellen und dann einen Spülprozess zu befehlen, um etwaiges flüssiges Wasser in den Fließgängen zu beseitigen, um eine Bildung von Eisblockaden während einer Kältedurchdringung zu vermeiden.
Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet das wärmere Kühlmittel innerhalb der mittleren Regionen 80 des Brennstoffzellenstacks 12 und die Restwärme in diesem Kühlmittel dazu, etwaige Eisblockaden in den Anodenauslassdurchlässen aufzutauen, bevor es die Stackspülung vornimmt. Die Stackspülung kann dann verzögert werden, um eine zusätzliche Kondensation zu gestatten, während eingefrorene Durchlässe oder Kanäle während der Spülung oder während einer späteren Brennstoffzellenstartprozedur verhindert werden.
Das warme Kühlmittel in der mittleren Region 80 des Stacks wird durch Kühlmittelgänge benachbart den Durchlässen für eine geeignete Zeit umgewälzt, damit etwaiges Eis in den Durchlässen schmilzt, bevor die Stackspülung vorgenommen wird, um die Durchlässe von Wasser zu befreien, bevor das gesamte System auf Temperaturen unter dem Gefrierpunkt sinkt. Die Steuerung 74 kann Sensordaten oder Korrelationen, zum Beispiel aus Kalibrierungstabellen, verwenden, um das System 10 zu steuern. Die Steuerung 74 bestimmt, wenn die Anodendurchlässe eine derartige Temperatur, dass flüssiges Wasser darin gefrieren kann, relativ zu anderen Temperaturmessungen im System erreichen, und dies kann unter Verwendung einer Kühlmitteltemperaturmessung benachbart dem Anodenauslass des Stacks bestimmt werden. Die Steuerung 74 bestimmt, wo sich das wärmste Kühlmittel befindet, wenn die Durchlässe einen Gefrierpunkt erreichen, zum Beispiel in einer mittleren Region des Stacks. Die Steuerung 74 bestimmt auch die Länge der Zeit und die Menge an Pumpenenergie oder -drehzahl, die erforderlich ist, um das Kühlmittel derart fließen zu lassen, dass das wärmste Kühlmittel im System benachbart den oder an den Anodenauslassdurchlässen fließt und etwaiges darin gebildetes Eis schmilzt.
Durch ein Abschmelzen und Verhindern von Eisblockaden innerhalb des Stacks 12 kann der Brennstoffzellenstack auch unter eisigen Bedingungen von überschüssigem Wasser freigespült werden, wodurch nachteilige Effekte von Eisblockaden während eines anschließenden Starts des Brennstoffzellensystems vermieden werden.
2 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines Kühlmittelsystems 64 zur Verwendung mit dem Brennstoffzellensystem 10 und Fahrzeug 11 aus 1. Das Kühlmittelsystem 64 ist dazu konfiguriert, einen Kühlmittelfluss durch den Brennstoffzellenstack 12 bereitzustellen, um eine Temperatur des Stacks zu steuern. In anderen Ausführungsformen kann das Kühlmittelsystem 64 eine Kühlung und/oder Erwärmung für andere Fahrzeugsysteme, wie etwa Elektroniksysteme einschließlich des Motors und der Batterie, und andere Komponenten oder Systeme, wie etwa ein Fahrgastzellen-HVAC-System, und andere Fahrzeugsystemwärmetauscher bereitstellen. Elemente, die den in 1 gezeigten gleichen oder ähneln, werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Das Kühlmittelsystem 64 weist einen Fluidkreislauf 100 auf, der ein Kühlmittel enthält. In einem Beispiel ist das Kühlmittel ein Kühlmittel auf Glykolbasis oder ein anderes in der Technik bekanntes Kühlmittel. Das Kühlmittel ist mit einer Gefriertemperatur unterhalb der von Wasser bereitgestellt, um zu verhindern, dass das Kühlmittel im System bei niedrigen Umgebungstemperaturen einfriert. Das System 64 kann verschiedene Komponenten wie etwa Filter, Entgasungsleitungen, Wannen oder Sammelbehälter aufweisen.
Das Kühlmittelsystem 64 weist eine Pumpe 102 auf, die Kühlmittel im Fluidkreislauf 100 umwälzt. Die Pumpe 102 kann elektrisch angetrieben sein und kann elektrisch mit der Batterie und der Steuerung 74 verbunden sein. In anderen Beispielen kann das System 64 mehr als eine Pumpe aufweisen, um Kühlmittel im System umzuwälzen. Die Steuerung 74 kann den Ein/Aus-Zustand der Pumpe 102 sowie die Drehzahl der Pumpe steuern, wodurch die Flussrate des Kühlmittels gesteuert wird. Der Fluidkreislauf 100 weist einen Radiator 104 oder anderen Wärmetauscher auf. Der Radiator 104 kann dazu verwendet werden, die Temperatur des Kühlmittels über Wärmeübertragung mit einem anderen Medium zu verringern. In einem Beispiel ist der Radiator 104 dazu konfiguriert, Wärme zwischen dem Kühlmittel und Luft in der äußeren Umgebung zu tauschen. In einem Beispiel kann der Radiator 104 dazu konfiguriert sein, Wärme zwischen dem Kühlmittel und einem anderen Fahrzeugsystemfluid zu tauschen. In weiteren Beispielen kann der Radiator 104 durch zwei oder mehr Wärmetauscher bereitgestellt sein, die in verschiedenen Konfigurationen zum Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel und zwei oder mehr assoziierten Fluids angeordnet sind.
Der Fluidkreislauf 100 weist einen Radiatorumgehungsgang 106 und eine Ventilbaugruppe 108 auf. Die Steuerung 74 ist dazu konfiguriert, den Betrieb der Ventilbaugruppe 108 zu steuern, um den Kühlmittelfluss zwischen dem Radiator 104 und dem Umgehungsgang 106 zu steuern. In einem Beispiel ist die Ventilbaugruppe 108 derart gesteuert, dass das gesamte Kühlmittel von der Einlassöffnung des Ventils zum Radiator geleitet wird, oder das gesamte Kühlmittel von der Einlassöffnung des Ventils zum Umgehungsgang geleitet wird. In weiteren Beispielen kann die Steuerung 74 eine Position des Ventils 108 steuern, um einen Teil des Kühlmittels durch den Umgehungsgang und den Rest des Kühlmittels durch den Radiator zu leiten.
Der Fluidkreislauf 100 weist auch einen Kühlmittelgang 110 auf, der durch den Brennstoffzellenstack 12 verläuft und dazu konfiguriert ist, Wärme zwischen dem Brennstoffzellenstack 12 und dem Kühlmittel zu tauschen. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird das Kühlmittelsystem 64 dazu betrieben und gesteuert, Wärme aus dem Brennstoffzellenstack 12 abzuführen und die Temperatur des Brennstoffzellenstacks zu steuern. Der Kühlmittelgang 110 kann als ein einzelner Gang durch den Stack bereitgestellt sein, oder kann als eine Reihe von Gängen im Brennstoffzellenstack bereitgestellt sein, mit Gängen, die mit verschiedenen Zellen in dem Stack assoziiert sind. Mindestens einer der Kühlmittelgänge 110 tritt entlang einer Randregion 82 des Stacks in den Stack ein, verläuft durch eine mittlere Region 80 des Stacks und tritt dann entlang einer Randregion 82 des Stacks aus dem Stack aus.
Das Kühlmittelsystem 64 kann mit verschiedenen Sensoren bereitgestellt sein, die in Kommunikation mit der Steuerung 74 stehen, um die Steuerung des Kühlmittelsystems zu verbessern und eine effiziente Steuerung über die Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 zu ermöglichen. In einem Beispiel weist das System 64 einen oder mehrere der folgenden Sensoren auf: einen Stackkühlmitteleinlasstemperatursensor 111, einen Stackkühlmittelauslasstemperatursensor 70, einen Radiatorkühlmitteltemperatursensor 112, einen Kühlmittelflussratensensor 114 durch den Stack und einen oder mehrere Temperatursensoren 116 innerhalb des Brennstoffzellenstacks, die nahe dem Anodenauslass positioniert und in Kontakt mit Kühlmittel oder reaktiven Gasen bei einer mittleren Region des Stacks und an anderen Stellen zur Temperaturüberwachung und thermischen Steuerung stehen können. Die Steuerung 74 kann zusätzlich einen Umgebungstemperatursensor 76 verwenden, wie oben bezugnehmend auf 1 beschrieben.
3 veranschaulicht eine perspektivische Teilansicht einer Platte 150 für eine Brennstoffzelle 10. In einem Beispiel wird die Platte 150 auf einer Anodenseite einer Zelle 13 im Stack verwendet. Jede Platte 150 kann aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit hoher thermischer Leitfähigkeit und hoher Wärmeübertragungseffizienz bei vorbeifließendem Kühlmittel gebildet sein. In anderen Beispielen können die Platten aus einem anderen Material gebildet sein, wie etwa Kohlefaser oder ein Verbundwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit, um diesen Wärmeübertragungsweg zu erleichtern.
Die Platte 150 weist eine Reihe von Kanälen 152 auf, die darin gebildet sind, um Fließgänge für Anodengase während des Betriebs der Brennstoffzelle bereitzustellen. Diese Anodengase fließen in Richtung des Anodenauslasses 154, 32. Die Anodengase können durch Durchlässe 156 fließen, wenn sie aus den Kanälen 152 austreten und in den Auslass 154 fließen. Mehrere Platten 150 werden bei der Montage des Brennstoffzellenstacks derart gestapelt, dass die Auslassöffnungen 154 einen Sammler mit einem tunnelartigen Sammelgang bilden.
Die Kanäle 152 können mit relativ kleinen Größen bereitgestellt sein, zum Beispiel in der Größenordnung von ungefähr einem Millimeter in Breite und Tiefe. Die Durchlässe 156 können dieselbe Größenordnung wie die Kanäle aufweisen und können in weiteren Beispielen kleiner als die Kanäle sein, sodass sie in der Größenordnung von ungefähr einem Millimeter in Breite und Tiefe liegen.
Da die Durchlässe 156 und Kanäle 152 relativ kleine physische Größen aufweisen, kann etwaiges Wasser in den Durchlässen und Kanälen gefrieren und Eis bilden, wenn die Temperatur der Platte 150 und umgebenden Zelle 13 niedrige Temperaturen erreicht. Aufgrund der geringen Größen der Durchgänge und Kanäle können kleine Tröpfchen flüssigen Wassers einen Durchgang oder Kanal leicht ganz oder teilweise blockieren, sobald sie gefroren sind.
Wenn das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet wird und den vorübergehenden Abkühlungsprozess beginnt, können die Durchgänge 156 außerdem schneller eine kühlere Temperatur als andere, mittigere Regionen 80 des Brennstoffzellensystems erreichen, da sich die Durchlässe benachbart dem Anodenauslass 154 und entlang einer äußeren Randregion 82 des Brennstoffzellenstacks befinden. Wenn die Temperatur an den Durchlässen 156 sinkt, kann Feuchtigkeit in Anodengasen als Wassertröpfchen auf den Wänden der Durchgänge oder benachbarten Kanäle kondensieren, und wenn die Temperatur weiter sinkt, auf diesen Flächen anfrieren.
Das Kühlmittelsystem 64 weist mindestens eine(n) Gang 110 oder Fließröhre auf, der/die durch den Brennstoffzellenstack 12 verläuft. In einem Beispiel erstreckt sich der Kühlmittelgang 110 durch eine mittlere Region 80 der Zelle und eine mittlere Region des Stacks und erstreckt sich auch benachbart von Durchlässen eines Anodenauslasses 154 für eine Zelle im Brennstoffzellenstack. Ein Beispiel eines Kühlmittelgangs 110 wird in gestrichelten Linien in 3 veranschaulicht und kann auf einer gegenüberliegenden Seite der Platte 150 oder zumindest teilweise in die Platte integriert bereitgestellt sein, wie gezeigt.
4 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zur Verwendung mit einem Brennstoffzellensystem 10 und einem Kühlmittelsystem 64 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In anderen Ausführungsformen können verschiedene Schritte in dem Verfahren kombiniert, neu angeordnet oder weggelassen werden. In einer Ausführungsform wird das Verfahren vom Steuerungssystem des Fahrzeugs 11 verwendet.
Das Verfahren beginnt bei 202 und geht zu Schritt 204 über. Bei Schritt 204 bestimmt die Steuerung 74, ob ein Abschaltbefehl für das Fahrzeug 11, Abschaltbefehl für die Brennstoffzelle 10 oder Schlüssel-Aus-Ereignis eingetreten ist. Wenn ein Fahrzeugabschaltbefehl empfangen wurde, kann die Steuerung 74 in einen Standby- oder Ruhemodus gehen, nachdem sie verschiedene einleitende Brennstoffzellenabschaltprozeduren befohlen hat. Das Kühlmittelsystem 64 wird ebenso abgeschaltet, sodass die Pumpe nicht arbeitet und die Kühlmittelflussrate durch den Stack und Kreislauf null ist. Das Brennstoffzellensystem 10 beginnt einen Kältedurchdringungsprozess und wird auch ab geschaltet.
Bei Schritt 206 kann die Steuerung 74 einen Timer aktivieren oder periodisch aufwachen, um die Umgebungstemperatur zu überwachen. Die Steuerung 74 überwacht das Brennstoffzellensystem 10 nach der Abschaltung, und das System kann eine bordeigene Überwachungsfunktion oder Diagnostik aufweisen, die periodisch dazu programmiert ist, abzulaufen und die Umgebungstemperatur und Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 zu prüfen. Die Überwachungsfunktion kann eine Zeitverzögerung beinhalten und für einen Zeitraum nach Abschaltung des Brennstoffzellensystems 10 programmiert sein, um es dem Stack 12 zu gestatten, sich etwas von seiner Betriebstemperatur abzukühlen. Die Zeitverzögerung kann auf der Temperatur der Brennstoffzelle bei Abschaltung sowie der Umgebungstemperatur basieren. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem 10 für einen Zeitraum in der Größenordnung von Minuten oder Stunden ruhen, bis es sich ausreichend abgekühlt hat, damit der Rest des Verfahrens fortfährt.
Wenn die Steuerung 74 die Umgebungstemperatur überwacht, kann sie auch die Kühlmitteltemperatur an verschiedenen Stellen im Kühlmittelsystem 64 überwachen. In einem Beispiel kann die Steuerung 74 die Umgebungstemperatur unter Verwendung des Umgebungstemperatursensors 76 direkt messen. In anderen Beispielen kann die Steuerung 74 die Kühlmitteltemperatur am Auslass des Brennstoffzellenstacks bei 70 oder an einer anderen Stelle im Kühlmittelsystem abseits vom Brennstoffzellenstack überwachen und eine Umgebungstemperatur basierend auf der Kühlmitteltemperatur an dieser Stelle ableiten oder korrelieren.
Bei Schritt 208 bestimmt die Steuerung 74, dass die Umgebungstemperatur unter einem Schwellenwert T₁ liegt. In einem Beispiel kann der Schwellenwert T₁ fünf Grad Celsius betragen; der Schwellenwert T₁ kann jedoch auch andere Temperaturwerte betragen oder kann auf einem Vorhersagewert für eine Temperatur während der Kältedurchdringung basieren. In anderen Ausführungsformen kann der Schwellenwert T₁ über oder unter dem Gefrierpunkt oder bei null Grad Celsius liegen.
Bei Schritt 208 bestimmt die Steuerung 74, ob die Kühlmitteltemperatur an einer Stelle außerhalb des Brennstoffzellenstacks, zum Beispiel bei Sensor 70, unter einem sekundären Temperaturwert T₂ liegt. Der sekundäre Temperaturwert T₂ kann fünf Grad Celsius oder einen höheren oder niedrigeren Temperaturwert betragen. In einem Beispiel kann der sekundäre Temperaturwert T₂ ein oder zwei Grad Celsius höher als der Schwellenwert T₁ liegen. In einem Beispiel verwendet die Steuerung 74 einen Temperatursensor 70, wie etwa einen Kühlmitteltemperatursensor im Kühlmittelsystem nachgelagert dem Stack, um die Kühlmitteltemperatur abseits vom und außerhalb des Brennstoffzellenstacks 12 zu bestimmen.
In einem Beispiel kann die Steuerung 74 eventuell nur die Umgebungstemperatur unter Verwendung einer Kühlmitteltemperaturmessung und einer Korrelation zwischen der Kühlmitteltemperatur und der Länge der Zeit seit der Fahrzeugabschaltung bestimmen, um eine ungefähre Umgebungstemperatur zu bestimmen.
Die Steuerung 74 kann zusätzlich die Temperatur des Kühlmittels in einer mittleren Region 80 des Stacks 12 messen oder schätzen. In einem weiteren Beispiel geht die Steuerung von Schritt 208 zu untenstehendem Schritt 210 über, wenn die Temperatur des Kühlmittels außerhalb des Stacks unter einem niedrigeren Temperaturwert T₂ liegt, und wenn der Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel in der mittleren Region 80 des Stacks und dem Kühlmittel außerhalb des Stacks über einem vorbestimmten Temperaturunterschied liegt, der darstellt, dass ausreichend Wärme vom Kühlmittel in der mittleren Region 80 gespeichert wurde, um Eisbildungen in den Durchlässen 156 zu schmelzen, und auch anzeigt, dass der Stack 12 ausreichend abgekühlt ist, sodass ein großer Teil des Wasserdampfs als Flüssigkeit im Stack 12 kondensiert ist. In einem Beispiel liegt der Kühlmitteltemperaturunterschied bei Schritt 208 bei 30-50 Grad Celsius und der Kühlmitteltemperaturunterschied liegt nach Schritt 210, wie unten beschrieben, und vor der Spülung bei ungefähr 10 Grad Celsius, was anzeigt, dass sich die mittlere Region 80 oder der Kern des Brennstoffzellenstacks erheblich abgekühlt hat.
Bei Schritt 210 befiehlt die Steuerung 74 dem Kühlmittelsystem 64, derart zu arbeiten, dass Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstack 12 umgewälzt wird. Schritt 210 wird als Reaktion darauf durchgeführt, dass ein Signal, das eine Umgebungstemperatur anzeigt, nach einem Fahrzeugabschaltbefehl unter einem Schwellenwert liegt. Schritt 210 wird vor dem Befehlen einer Spülung des Brennstoffzellenstacks durchgeführt oder begonnen und kann den Spülprozess überlappen. Indem Kühlmittel mit einer nicht gleichförmigen Temperatur durch den Stack 12 umgewälzt wird, kann das wärmere Kühlmittel in der mittleren Region 80 dazu verwendet werden, den Stack 12 entlang den äußeren Randregionen 82 zu erwärmen und etwaige Eisbildungen in den Durchlässen 156 oder benachbarten Gängen zu schmelzen. Darüber hinaus kann durch das Umwälzen von Kühlmittel die Temperatur des Stacks 12 gleichförmiger werden und Wasserdampf in der mittleren Region 80 des Stacks kann kondensieren, sodass die Feuchtigkeit des Stacks 12 verringert werden kann.
Die Steuerung 74 betreibt die Pumpe 102 im Kühlmittelsystem, während Kühlmittel im Brennstoffzellenstack 12 eine nicht gleichförmige Temperatur aufweist, um Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen und eine Eisbildung in dem Stack vor einer Spülung des Brennstoffzellenstacks mit Gasen zu verringern. Nach der Abschaltung von Fahrzeug 11 und vor dem Umwälzen des Kühlmittels weist das Kühlmittel des Kühlmittelsystems 64 in einer mittleren Region 80 des Stacks eine höhere Temperatur auf als das Kühlmittel in einer Randregion 82 des Stacks. Wenn Kühlmittel umgewälzt wird, erhöht sich die Temperatur der Randregion 82 des Stacks derart, dass etwaiges Eis, das sich innerhalb der Durchlässe 156 gebildet hat, geschmolzen wird.
In einem Beispiel steuert die Steuerung 74 das Kühlmittelsystem 64 dazu, kontinuierlich Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstack 12 umzuwälzen. Die Steuerung kann das Ventil 108 des Kühlmittelsystems derart steuern, dass Kühlmittel aus dem Stack 12 durch den Umgehungsgang 106 und zurück in den Stack 12 fließt. Das warme Kühlmittel in der mittleren Region 80 des Brennstoffzellenstacks fließt an den Durchlässen 156 vorbei und mischt sich mit dem Rest des Kühlmittels im System 64. Mit der Zeit wird etwaiges Eis, das sich in den Durchlässen 156 oder anderen Kanälen im Stack 12 gebildet hat, geschmolzen. Das Kühlmittel kann kontinuierlich für einen vorbestimmten Zeitraum, zum Beispiel in der Größenordnung von Minuten, umgewälzt werden. In einem Beispiel wird das Kühlmittel kontinuierlich für eins bis zehn Minuten umgewälzt und in einem anderen Beispiel für zwei bis fünf Minuten umgewälzt. Alternativ dazu wird das Kühlmittel kontinuierlich durch die Pumpe umgewälzt, bis das Kühlmittel eine beständige Zustandstemperatur erreicht.
In einem anderen Beispiel steuert die Steuerung 74 das Kühlmittelsystem 64 dazu, den Fluss des Kühlmittels im Kühlmittelsystem zu pulsieren. In einem Beispiel steuert die Steuerung 74 die Pumpe 102 oder elektrische Maschine, die die Pumpenrotation steuert, derart, dass das Kühlmittel in den Kanälen 152 in der mittleren Region 80 des Stacks pulsiert und um eine diskrete Entfernung vorwärts bewegt wird, für einen Zeitraum in einer stillstehenden Position verharrt und dies wie durch eine Reihe von Pulsen und dazwischenliegenden Pausen von der Steuerung gesteuert wiederholt. Die Länge jedes Pulses und jeder assoziierten Bewegung des Kühlmittels innerhalb des Stacks 12 sowie die zeitliche Länge jeder Pause kann von der Steuerung gesteuert werden. Die Steuerung 74 kann das Ventil 108 derart steuern, dass das Kühlmittel durch den Umgehungsgang 106 fließt, und steuert eine Pumpe 102 oder eine elektrische Maschine oder einen Schrittmotor für die Pumpe dazu, den Kühlmittelfluss durch eine Reihe von Ein- und Aus-Perioden zu pulsieren, zum Beispiel fünf Sekunden laufend und eine Minute aus und ruhend, oder ähnlich. Das Kühlmittel wird dadurch in Richtung des Stackauslasses 68 bewegt und die Aus-Perioden ermöglichen eine gewisse Latenzzeit zum Abtauen von Eis.
Während des Umwälzens von Kühlmittel kann die Steuerung 74 das Ventil 108 dazu steuern, den Kühlmittelfluss durch den Umgehungsgang 106, den Radiator 104 oder eine Kombination davon zu steuern. Unter Verwendung des Ventils 108 kann die Steuerung 74 ferner die Temperatur des in den Stack 12 fließenden Kühlmittels steuern, da der Radiator 104 ein größeres Volumen von Kühlmittel bei einer niedrigen Temperatur enthält. In einem anderen Beispiel, während kontinuierlich Kühlmittel durch den Stack umgewälzt wird, kann die Steuerung 74 die Position des Ventils 108 dazu steuern, Kühlmittel aus dem Radiator in das Kühlmittel einzumischen, das im Umgehungsgang 106 umgewälzt wird, und ferner die Temperatur des Kühlmittels, das durch den Stack 12 umgewälzt wird, zu steuern und zu verringern. Dies ermöglicht, die Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 auf eine niedrigere Durchschnittstemperatur zu verringern, als es einfach nur durch Umwälzen des Kühlmittels durch den Umgehungsgang 106 und Stack 12 geschehen könnte. Es kann eine längere Periode von Kühlmittelfluss verwendet werden und Kühlmittel aus dem größeren Kreis des Radiators 104 kann eingemischt werden, um das Ventil 108 langsam dazu zu verwenden, die Durchschnittstemperatur im Brennstoffzellenstack zu verringern, während die Temperatur nahe den Auslassdurchlässen 156 über dem Gefrierpunkt gehalten wird. Zum Beispiel dauert der Kühlmittelfluss länger als einige Minuten an und die Kühlmittelauslasstemperatur wird auf eine untere Grenztemperatur T₃ über null Grad Celsius überwacht, z. B. 1-5 Grad Celsius. Da basierend auf Ineffizienzen im Wärmeübertragungsprozess die Umgebungstemperatur unter dem Gefrierpunkt liegen kann und das Kühlmittel eine höhere Temperatur als die Durchlässe 156 aufweisen kann, wird die Stackspülung bei Schritt 212 bei einer Kühlmittelauslasstemperatur von mehreren Grad Celsius über null eingeleitet, um zu verhüten, dass etwaiges Wasser in den Durchlässen wieder zu Eis gefriert.
In einem anderen Beispiel kann bei Schritt 210, wenn das Kühlmittel in der mittleren Region 80 des Stacks eine unzureichende Wärme oder thermische Masse aufweist, wenn das Kühlmittel außerhalb des Stacks 12 unter null Grad Celsius liegt, oder wenn das Ventil 108 nicht betriebsfähig ist, die Steuerung 74 ein innerhalb des Kühlmittelsystems 64 positioniertes Heizelement 120 dazu steuern, Kühlmittel zu erwärmen, während das Kühlmittel durch den Stack 12 umgewälzt wird. In einem Beispiel kann das Heizelement 120 ein elektrisches Heizelement sein, wie etwa ein Widerstandsheizelement, PTC(Positive Temperature Coefficient)-Heizelement oder ein Peltier-Heizelement. Das Heizelement 120 kann in bestimmten Stackkonfigurationen, wie etwa wenn das Kühlmittel in die entgegengesetzte Richtung wie der Anodenfluss fließt, in einer Gegenstromwärmetauscheranordnung erforderlich sein.
Bei Schritt 212 befielt die Steuerung eine Spülung des Brennstoffzellenstacks 12. In einem Beispiel befiehlt die Steuerung 74 einem oder mehreren Verdichtern zu arbeiten, um unter Druck gesetzte Gase dazu zu veranlassen, durch den Brennstoffzellenstack 12 auf der Anoden- und/oder Kathodenseite zu fließen, um flüssiges Wasser sowie überschüssigen Stickstoff oder andere Gase dazu zu veranlassen, aus dem Stack auszutreten. Indem das System von überschüssigem flüssigen Wasser freigespült wird, auch wenn etwas Restfeuchtigkeit im Stack verbleibt und der Stack Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erreicht, werden die Kanäle 152 und die Durchlässe 156 frei von Eisblockaden bleiben und ermöglichen ein problemloses Starten des Systems.
Die Steuerung 74 ist dazu konfiguriert, den Verdichter zu betreiben oder Brennstoffzellenwerte nach einer Fahrzeugabschaltung zu steuern und bei obigem Schritt 212 unter Druck gesetzte Gase durch den Stack bereitzustellen, wenn sie die Spülung des Brennstoffzellenstacks 12 befiehlt, um flüssiges Wasser aus dem Stack zu entfernen. In einigen Beispielen ist die Steuerung 74 dazu konfiguriert, weiterhin Kühlmittel im Stack 12 umzuwälzen, während sie den Verdichter betreibt und die Spülung vornimmt, um Eisbildung während des Spülprozesses zu verhüten und etwaige kondensierende Flüssigkeit zu entfernen. Die Steuerung 74 kann den Motor des Verdichters auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks betreiben, um unter Druck gesetzte Luft bereitzustellen, um die Kathodenseite des Stacks auszublasen.
In einem Beispiel hat die Steuerung 74 das Ventil 108 dazu betrieben, Kühlmittel aus dem Radiator 104 mit Kühlmittel in dem Stack 12 und Umgehungsgang 106 einzumischen, um die Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 noch weiter zu verringern. Durch Abkühlen des Brennstoffzellenstacks 12 auf eine Temperatur knapp über einem Gefrierpunkt, z. B. ein oder zwei Grad Celsius, wird zusätzlicher Wasserdampf im Stack 12 kondensiert und der Spülprozess ist in der Lage, zusätzliches flüssiges Wasser aus dem Stack zu entfernen. Die Steuerung 74 kann die Spülung befehlen, wenn sie das Ventil 108 dazu verwendet, die Kühlmitteltemperatur als Reaktion darauf zu steuern, dass die Kühlmitteltemperatur einen unteren Schwellenwert erreicht, zum Beispiel ein oder zwei Grad Celsius.
5 veranschaulicht ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems 10 während einer Kältedurchdringung, beinhaltend eine Kühlmittelumwälzung vor der Spülung, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Schaubild veranschaulicht die Kühlmittelflussrate durch den Stack als Linie 250, die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar nachgelagert dem Anodenauslass als Linie 252 und die Temperatur des Brennstoffzellenstacks nahe dem Anodenauslass und bei einer äußeren Randregion des Stacks als Linie 254. Die Umgebungstemperatur im vorliegenden Beispiel beträgt unter null Grad Celsius.
Vor dem Zeitpunkt 260 ist das Brennstoffzellensystem 10 in einem Kältedurchdringungszustand nach Abschaltung des Fahrzeugs 11, das Kühlmittel und etwaige Reaktantengase fließen nicht. Das Kühlmittel direkt außerhalb des Stacks 12 liegt bei einigen Grad Celsius um den Gefrierpunkt und die nahe dem Anodenauslass im Anodengasvolumen gemessene Temperatur beträgt null oder unter null Grad Celsius. Da das System 10 langsam von einer kalten Umgebung durchdrungen wurde und kein Kühlmittel oder Reaktanten fließen, kann die Durchschnittstemperatur der Anodenauslassdurchlässe als dieselbe Temperatur wie Linie 254 angenähert werden, und daher werden jegliche Wasser enthaltende Durchlässe wahrscheinlich gefroren sein.
Bei Zeitpunkt 260 befiehlt die Steuerung 74 dem Kühlmittelsystem 64, Kühlmittel durch den Stack 12 umzuwälzen, wobei das Ventil 108 das gesamte umgewälzte Kühlmittel durch den Umgehungsgang leitet. Die Kühlmitteltemperatur am Stackauslass beginnt sofort anzusteigen, wie durch Linie 252 gezeigt, wenn das Kühlmittel fließt und warmes Kühlmittel vom Stack 12 am Sensor vorbeifließt. Es ist zu beachten, dass der Brennstoffzellenstack-Temperatursensor keinen Temperaturanstieg anzeigt, da die Wärmeübertragung von der Brennstoffzellenplatte und dem benachbarten Kühlmittel auf das Gasvolumen im Anodenauslasssammler, wo sich der Stack-Temperatursensor befindet, niedrig ist. Daher stellt der Brennstoffzellenstack-Temperatursensor bei Linie 254 nicht länger die Temperatur der Durchlässe 156 dar.
Die Temperatur der Durchlässe 156 wird von der Temperatur ihrer Platte 150 und dem umgewälzten Kühlmittel beeinflusst. Die Wärme aus dem Kern oder der mittleren Region 80 des Stacks wird durch den gesamten Kühlmittelkreis und über jede Zelle und Kühlmittelplatte verteilt. Mit der Umwälzung des Kühlmittels wird die Temperatur durch den gesamten Kühlmittelkreis gleichförmiger und die Kühlmitteltemperatur und Stackplatten werden isothermer. Dies macht sich durch eine kleine Steigerung der Kühlmitteltemperatur am Stackauslass bemerkbar, zum Beispiel von einer Spitze von 40-50 Grad Celsius zu einer stabileren Temperatur um 20-30 Grad Celsius bei Zeitpunkt 262. Nachdem das Kühlmittel zu fließen beginnt, wird Wärme aus dem Kühlmittel in die Platte 150 und zu den Plattendurchlässen 156 übertragen, um darin gebildetes Eis zu schmelzen.
Während vorstehend verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, sind diese Ausführungsformen nicht dazu gedacht, alle möglichen Formen der Offenbarung zu beschreiben. Die in dieser Patentschrift verwendeten Formulierungen sind vielmehr beschreibend und nicht einschränkend zu verstehen und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen umsetzenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Brennstoffzellenstack zur Erzeugung von Leistung; ein Kühlmittelsystem, das dazu konfiguriert ist, einen Kühlmittelfluss durch den Stack bereitzustellen; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf ein Signal, das anzeigt, dass eine Umgebungstemperatur nach einem Fahrzeugabschaltbefehl unter einem Schwellenwert liegt, dem Kühlmittelsystem zu befehlen, Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen, bevor sie eine Spülung des Brennstoffzellenstacks befiehlt.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht der Schwellenwert fünf Grad Celsius oder weniger.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Kühlmittelsystem einen Fluidkreislauf mit einer Pumpe, einem Radiator und einem in dem Stack angeordneten Kühlmittelgang.
Gemäß einer Ausführungsform erstreckt sich der Kühlmittelgang durch eine mittlere Region des Stacks und erstreckt sich benachbart von Durchlässen eines Anodenauslasses für eine Zelle im Brennstoffzellenstack.
Gemäß einer Ausführungsform sind Durchlässe des Anodenauslasses benachbart einer Randregion des Stacks.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Kühlmittelsystem ferner ein Ventil und einen Radiatorumgehungsgang, wobei das Ventil dazu positioniert ist, den Kühlmittelfluss zwischen dem Radiator und dem Radiatorumgehungsgang zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, das Ventil dazu zu betreiben, den Kühlmittelfluss durch den Radiatorumgehungsgang zu führen, während der Kühlmittelfluss durch den Stack umgewälzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, das Ventil dazu zu betreiben, den Kühlmittelfluss aus dem Radiator einzumischen, um eine Temperatur des durch den Stack umgewälzten Kühlmittels zu steuern und zu verringern; und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die Spülung als Reaktion darauf zu befehlen, dass die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels einen sekundären Schwellenwert erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Kühlmittelsystem ein Heizelement; und wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, das Heizelement dazu zu betreiben, das Kühlmittel während des Umwälzens des Kühlmittels zu erwärmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch einen Kühlmitteltemperatursensor im Kühlmittelsystem nachgelagert dem Stack gekennzeichnet; wobei das Signal ein erstes Signal ist; und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, ein zweites Signal vom Kühlmitteltemperatursensor zu empfangen und die Umgebungstemperatur basierend auf dem zweiten Signal zu bestimmen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch Folgendes gekennzeichnet: einen Verdichter, der in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstack steht; und einen unter Druck gesetzten Brennstofftank, der über ein Ventil in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstack steht; wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, mindestens eines von dem Ventil und dem Verdichter nach einer Fahrzeugabschaltung zu betreiben, um Gase durch den Stack umzuwälzen, wenn sie die Spülung des Brennstoffzellenstacks befiehlt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, Kühlmittel im Stack umzuwälzen, während sie das mindestens eine von dem Ventil und dem Verdichter betreibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems bereitgestellt, das Folgendes aufweist: als Reaktion darauf, dass nach einem Fahrzeugabschaltereignis mindestens eine von einer Umgebungstemperatur und einer Kühlmitteltemperatur unter einem Schwellenwert liegt, Betreiben einer Pumpe in einem Kühlmittelsystem, während Kühlmittel in einem Brennstoffzellenstack eine nicht gleichförmige Temperatur aufweist, um Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen und eine Eisbildung in dem Stack vor einer Spülung des Brennstoffzellenstacks mit Gasen zu verringern.
Gemäß einer Ausführungsform entspricht der Schwellenwert fünf Grad Celsius oder weniger.
Gemäß einer Ausführungsform, nach dem Fahrzeugabschaltereignis und vor dem Umwälzen von Kühlmittel, weist das Kühlmittel des Kühlmittelsystems in einer mittleren Region des Stacks eine höhere Temperatur auf als das Kühlmittel in einer Randregion des Stacks, wobei die Randregion Durchlässe eines Anodenauslasses für eine Zelle in dem Stack aufweist; und wobei das Kühlmittel im Kühlmittelsystem und durch den Brennstoffzellenstack umgewälzt wird, um eine Temperatur der Randregion und der Durchlässe zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform wird, nachdem die Kühlmitteltemperatur außerhalb des Stacks einen sekundären Schwellenwert erreicht und vor dem Spülen, das Kühlmittel kontinuierlich für einen vorbestimmten Zeitraum umgewälzt.
Gemäß einer Ausführungsform wird, nachdem die Kühlmitteltemperatur außerhalb des Stacks einen sekundären Schwellenwert erreicht und vor dem Spülen, das Kühlmittel durch den Stack umgewälzt, indem eine Reihe von Pulsen von Kühlmittelfluss im Kühlmittelsystem befohlen wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch Folgendes gekennzeichnet: Steuern eines Ventils, das dazu konfiguriert ist, einen Fluss zwischen einem Radiator und einem Radiatorumgehungsgang im Kühlmittelsystem zu steuern, wobei das Ventil dazu gesteuert wird, den Kühlmittelfluss durch den Umgehungsgang zu leiten, während der Kühlmittelfluss durch den Stack umgewälzt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die obige Erfindung ferner durch Folgendes gekennzeichnet: Steuern eines Ventils, das dazu konfiguriert ist, einen Fluss zwischen einem Radiator und einem Radiatorumgehungsgang im Kühlmittelsystem zu steuern, wobei das Ventil dazu gesteuert wird, die Kühlmittelflüsse aus dem Radiator und dem Umgehungsgang zu mischen, um die Kühlmitteltemperatur zu steuern und eine Durchschnittstemperatur des Brennstoffzellenstacks zu verringern, während der Kühlmittelfluss durch den Stack umgewälzt wird; wobei das Spülen als Reaktion darauf erfolgt, dass die Kühlmitteltemperatur einen sekundären Schwellenwert erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Kühlmittel kontinuierlich durch den Stack umgewälzt, bis eine außerhalb des Stacks gemessene Änderungsrate der Kühlmitteltemperatur unter einen anderen Schwellenwert fällt und vor dem Spülen.

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstack zur Erzeugung von Leistung; ein Kühlmittelsystem, das dazu konfiguriert ist, einen Kühlmittelfluss durch den Stack bereitzustellen; und eine Steuerung, die dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf ein Signal, das anzeigt, dass eine Umgebungstemperatur nach einem Fahrzeugabschaltbefehl unter einem Schwellenwert liegt, dem Kühlmittelsystem zu befehlen, Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen, bevor sie eine Spülung des Brennstoffzellenstacks befiehlt.
System nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwert fünf Grad Celsius oder weniger entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittelsystem einen Fluidkreislauf mit einer Pumpe, einem Radiator und einem in dem Stack angeordneten Kühlmittelgang umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei sich der Kühlmittelgang durch eine mittlere Region des Stacks erstreckt und sich benachbart von Durchlässen eines Anodenauslasses für eine Zelle im Brennstoffzellenstack erstreckt; und wobei Durchlässe des Anodenauslasses benachbart einer Randregion des Stacks sind.
System nach Anspruch 3, wobei das Kühlmittelsystem ferner ein Ventil und einen Radiatorumgehungsgang umfasst, wobei das Ventil dazu positioniert ist, den Kühlmittelfluss zwischen dem Radiator und dem Radiatorumgehungsgang zu steuern; und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, das Ventil dazu zu betreiben, den Kühlmittelfluss durch den Radiatorumgehungsgang zu führen, während der Kühlmittelfluss durch den Stack umgewälzt wird.
System nach Anspruch 3, wobei das Kühlmittelsystem ferner ein Ventil und einen Radiatorumgehungsgang umfasst, wobei das Ventil dazu positioniert ist, den Kühlmittelfluss zwischen dem Radiator und dem Radiatorumgehungsgang zu steuern; wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, das Ventil dazu zu betreiben, den Kühlmittelfluss aus dem Radiator einzumischen, um eine Temperatur des durch den Stack umgewälzten Kühlmittels zu steuern und zu verringern; und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, die Spülung als Reaktion darauf zu befehlen, dass die Temperatur des umgewälzten Kühlmittels einen sekundären Schwellenwert erreicht.
System nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittelsystem ein Heizelement beinhaltet; und wobei die Steuerung dazu konfiguriert ist, das Heizelement dazu zu betreiben, das Kühlmittel während des Umwälzens des Kühlmittels zu erwärmen.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kühlmitteltemperatursensor im Kühlmittelsystem nachgelagert dem Stack; wobei das Signal ein erstes Signal ist; und wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, ein zweites Signal vom Kühlmitteltemperatursensor zu empfangen und die Umgebungstemperatur basierend auf dem zweiten Signal zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Verdichter, der in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstack steht; und einen unter Druck gesetzten Brennstofftank, der über ein Ventil in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstack steht; wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, mindestens eines von dem Ventil und dem Verdichter nach einer Fahrzeugabschaltung zu betreiben, um Gase durch den Stack umzuwälzen, wenn sie die Spülung des Brennstoffzellenstacks befiehlt.
Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems, Folgendes umfassend: als Reaktion darauf, dass nach einem Fahrzeugabschaltereignis mindestens eine von einer Umgebungstemperatur und einer Kühlmitteltemperatur unter einem Schwellenwert liegt, Betreiben einer Pumpe in einem Kühlmittelsystem, während Kühlmittel in einem Brennstoffzellenstack eine nicht gleichförmige Temperatur aufweist, um Kühlmittel durch den Stack umzuwälzen und eine Eisbildung in dem Stack vor einer Spülung des Brennstoffzellenstacks mit Gasen zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei nach dem Fahrzeugabschaltereignis und vor dem Umwälzen von Kühlmittel das Kühlmittel des Kühlmittelsystems in einer mittleren Region des Stacks eine höhere Temperatur aufweist als das Kühlmittel in einer Randregion des Stacks, wobei die Randregion Durchlässe eines Anodenauslasses für eine Zelle in dem Stack aufweist; und wobei das Kühlmittel im Kühlmittelsystem und durch den Brennstoffzellenstack umgewälzt wird, um eine Temperatur der Randregion und der Durchlässe zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei, nachdem die Kühlmitteltemperatur außerhalb des Stacks einen sekundären Schwellenwert erreicht und vor dem Spülen, das Kühlmittel kontinuierlich für einen vorbestimmten Zeitraum umgewälzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei, nachdem die Kühlmitteltemperatur außerhalb des Stacks einen sekundären Schwellenwert erreicht und vor dem Spülen, das Kühlmittel durch den Stack umgewälzt wird, indem eine Reihe von Pulsen von Kühlmittelfluss im Kühlmittelsystem befohlen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Steuern eines Ventils, das dazu konfiguriert ist, einen Fluss zwischen einem Radiator und einem Radiatorumgehungsgang im Kühlmittelsystem zu steuern, wobei das Ventil dazu gesteuert wird, den Kühlmittelfluss durch den Umgehungsgang zu leiten, während der Kühlmittelfluss durch den Stack umgewälzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Steuern eines Ventils, das dazu konfiguriert ist, einen Fluss zwischen einem Radiator und einem Radiatorumgehungsgang im Kühlmittelsystem zu steuern, wobei das Ventil dazu gesteuert wird, die Kühlmittelflüsse aus dem Radiator und dem Umgehungsgang zu mischen, um die Kühlmitteltemperatur zu steuern und eine Durchschnittstemperatur des Brennstoffzellenstacks zu verringern, während der Kühlmittelfluss durch den Stack umgewälzt wird, wobei das Spülen als Reaktion darauf erfolgt, dass die Kühlmitteltemperatur einen sekundären Schwellenwert erreicht.