DE102020117052A1 - System und verfahren zum steuern einer brennstoffzelle - Google Patents

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Kia Motors Corp
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Abstract

Es ist ein Brennstoffzelle-Steuersystem bereitgestellt, aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), die sowohl mit Wasserstoff als auch mit Sauerstoff versorgt wird und eingerichtet ist, um mittels einer chemischen Reaktion darin elektrischen Strom zu erzeugen, ein Kühlsystem mit einer Wärmetauschervorrichtung (21), die in der Lage ist, Wärme mit Außenluft auszutauschen, wobei das Kühlsystem (20) eingerichtet ist, um Kühlwasser darin zu zirkulieren und Wärme mit der Brennstoffzelle (10) zu tauschen, eine Temperaturerfassungseinheit (30), die eingerichtet ist, um eine Brennstoffzellentemperatur oder eine Kühlwassertemperatur im Kühlsystem zu erfassen, und eine Kühlsteuereinheit (40), die eingerichtet ist, um das Kühlsystem (20) so zu steuern, dass es die Brennstoffzelle (10) zusätzlich kühlt, wenn die Brennstoffzelle aufhört, elektrische Leistung zu erzeugen, wenn die Brennstoffzellentemperatur oder die Kühlwassertemperatur, die von der Temperaturerfassungseinheit (30) erfasst wird, während die Brennstoffzelle (10) elektrische Leistung erzeugt, gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle, und insbesondere ein System zur Wiederherstellung der Leistung nach einem fortgesetzten bzw. kontinuierlichen Betrieb einer Brennstoffzelle mit hoher Leistung.
  • Hintergrund
  • Eine Brennstoffzelle ist eingerichtet, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, indem eine Oxidations-Reduktions-Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zur Anwendung kommt, die von einer Wasserstoff- bzw. einer Luftzufuhrvorrichtung zugeführt werden, und weist einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie, ein Kühlsystem zur Kühlung desselben und Ähnliches auf.
  • Das heißt, Wasserstoff wird der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, in der Anode läuft eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs ab, wobei Protonen und Elektronen erzeugt werden, und die erzeugten Protonen und Elektronen wandern durch einen Elektrolytfilm und eine Trennplatte zur Kathode. In der Kathode wird elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, an der die Protonen und Elektronen der Anode und der Luftsauerstoff teilnehmen.
  • Brennstoffzellen sind nicht nur für Personenkraftwagen, sondern auch für „Sport Utility Vehicles“ (SUVs) eingeführt worden. Brennstoffzellen sind auch bei Nutzfahrzeugen wie Bussen und Lastkraftwagen verwendbar, die mit hoher Leistung fahren müssen, so dass Fahrstrecken sichergestellt werden können und umweltfreundliche Vorzüge genutzt werden können.
  • Insbesondere im Nutzfahrzeugbereich liegt das Problem vor, dass bei langen Fahrstrecken oder großer Last zwar lange mit hoher Leistung gefahren werden kann, die maximale Kühlleistung des Kühlsystems des Brennstoffzellenfahrzeugs aber begrenzt ist, so dass die Brennstoffzelle zwangsläufig mit hoher Temperatur betrieben wird.
  • Ein Personenkraftwagen oder ein SUV kann Steuerungsvorrichtungen zur Begrenzung der Leistung der Brennstoffzelle aufweisen, um einen Hochtemperaturbetrieb der Brennstoffzelle zu vermeiden. Im Falle eines Nutzfahrzeugs ist es jedoch schwierig, die Leistung zu begrenzen, da die Möglichkeit besteht, dass die Fahrt des Fahrzeugs zum Stillstand kommt und dadurch ein Stabilitätsproblem entsteht. Daher sind Brennstoffzellen, die in Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, hohen Temperaturen ausgesetzt und verschlechtert sich dadurch die Leistung, wodurch sich ein Problem der Verschlechterung der Haltbarkeit ergibt.
  • Die obigen Beschreibungen dienen lediglich dazu, das Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, und sind von einem Fachmann nicht als dem Stand der Technik entsprechend anzusehen.
  • KURZERLÄUTERUNG
  • Die vorliegende Offenbarung wurde getätigt, um die oben genannten Probleme zu lösen, und ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt darin, eine Technik zur Durchführung eines Kühlsteuerns bereitzustellen, so dass bei anhaltend hoher Leistung einer Brennstoffzelle die Leistung der Brennstoffzelle wiederhergestellt wird bzw. eine Erholung eintritt, wenn die Brennstoffzelle keine elektrische Energie mehr erzeugt.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Brennstoffzelle-Steuersystem bereitgestellt, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die sowohl mit Wasserstoff als auch mit Sauerstoff versorgt wird und eingerichtet ist, um mittels einer chemischen Reaktion darin elektrischen Strom zu erzeugen, ein Kühlsystem mit einer Wärmetauschervorrichtung, die in der Lage ist, Wärme mit Außenluft auszutauschen, wobei das Kühlsystem eingerichtet ist, um Kühlwasser darin zu zirkulieren und Wärme mit der Brennstoffzelle auszutauschen, eine Temperaturerfassungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Brennstoffzellentemperatur und/oder eine Kühlwassertemperatur im Kühlsystem zu erfassen, und eine Kühlsteuereinheit, die eingerichtet ist, um das Kühlsystem so zu steuern, dass die Brennstoffzelle zusätzlich (bspw. weitergehend bzw. nach-)gekühlt wird, wenn die Brennstoffzelle aufhört, elektrische Leistung zu erzeugen, wenn die Brennstoffzellentemperatur und/oder die Kühlwassertemperatur, die von der Temperaturerfassungseinheit erfasst wird/werden, während die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt, gleich oder höher ist als eine vorkonfigurierte bzw. vorbestimmte (im Weiteren kurz: vorbestimmte) Leistungsabfalltemperatur (bspw. Leistungsverschlechterungstemperatur, bei welcher eine Leistungsverschlechterung (z.B. verringerte Zellenspannung) auftritt).
  • Die Temperaturerfassungseinheit kann z.B. unter bzw. in dem Kühlwasser im Kühlsystem die Temperatur des Kühlwassers, das in den Einlass der Brennstoffzelle strömt, messen.
  • Das Brennstoffzelle-Steuersystem kann z. B. femer eine Überwachungseinheit aufweisen, die eingerichtet ist, um die Größe der elektrischen Leistung und/oder des elektrischen Stroms zu überwachen, die von der Brennstoffzelle abgegeben werden, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt. Die Kühlsteuereinheit kann z.B. das Kühlsystem so steuern, dass die Brennstoffzelle zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder eine vorbestimmte Hochstromreferenz.
  • Das Brennstoffzelle-Steuersystem kann z.B. femer eine Zeitmesseinheit aufweisen, die eingerichtet ist, um eine Zeit(dauer) zu akkumulieren und messen, während der die von der Überwachungseinheit überwachte Größe der elektrischen Leistung und/oder des elektrischen Stroms seit dem Start der Brennstoffzelle gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz gehalten wird. Die Kühlsteuereinheit kann z.B. das Kühlsystem so steuern, dass die Brennstoffzelle zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die von der Zeitmesseinheit gemessene akkumulierte Zeit gleich oder länger ist als eine vorbestimmte Zeit.
  • Die Kühlsteuereinheit kann z.B. das Kühlsystem so steuern, dass die Brennstoffzelle für eine vorbestimmte erste Erholungszeit(dauer) seit der Anforderung zum Stoppen der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle gekühlt wird.
  • Die Kühlsteuereinheit kann das Kühlsystem z.B. so steuern, dass die Brennstoffzelle für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit gekühlt wird, nachdem das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur abgekühlt ist.
  • Das Kühlsystem kann z.B. eine Kühl(wasser)pumpe aufweisen, die eingerichtet ist, um Kühlwasser zirkulieren zu lassen, sowie ein Kühlgebläse, das eingerichtet ist, um Außenluft in der Nähe eines Kühlers (bspw. durch diesen hindurch) zirkulieren zu lassen. Die Kühlsteuereinheit kann z.B. die Drehzahl der Kühlpumpe und/oder die Drehzahl des Kühlgebläses auf ein maximales Niveau steuern, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperaturfällt, und kann das Kühlsystem so steuern, dass die Kühlwassertemperatur für eine zweite Erholungszeit(dauer) auf der vorbestimmten Erholungstemperatur gehalten wird.
  • Das Brennstoffzelle-Steuersystem kann z.B. femer eine Start-Steuereinheit aufweisen, die eingerichtet ist, um zu ermitteln, ob das Kühlsystem von der Kühlsteuereinheit gesteuert werden soll oder nicht, wenn ein Abschalten der Brennstoffzelle angefordert wird, und um das Abschalten der Brennstoffzelle zu steuern, nachdem das Steuern bzw. Betreiben des Kühlsystems der Kühlsteuereinheit abgeschlossen ist.
  • In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Brennstoffzelle-Steuerverfahren bereitgestellt, aufweisend: Erfassen einer Brennstoffzellentemperatur und/oder Kühlwassertemperatur in einem Kühlsystem, wenn eine Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt, Vergleichen der erfassten Brennstoffzellentemperatur und/oder Kühlwassertemperatur mit einer vorbestimmten Leistungsabfalltemperatur, und Steuern des Kühlsystems, um die Brennstoffzelle zusätzlich zu kühlen, wenn die Brennstoffzelle aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen, wenn die erfasste Brennstoffzellentemperatur oder Kühlwassertemperatur gleich oder höher ist als die vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur.
  • Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren kann femer ein Überwachen der Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms aufweisen, der von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt, bevor das Kühlsystem gesteuert wird. Das Kühlsystem kann so gesteuert werden, dass die Brennstoffzelle zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms aus der Brennstoffzelle gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder eine vorbestimmte Hochstromreferenz.
  • Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren kann z.B. femer das Akkumulieren und Messen einer Zeit aufweisen, während der die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms, die nach dem Start der Brennstoffzelle überwacht wird, gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz gehalten wird, nachdem die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms überwacht wurde. Während des Schrittes des Steuerns des Kühlsystems kann das Kühlsystem z.B. so gesteuert werden, dass die Brennstoffzelle zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die von einer Zeitmesseinheit gemessene akkumulierte Zeit gleich oder länger als eine vorbestimmte Zeit(dauer) ist.
  • Beim Steuerschritt des Kühlsystems kann das Kühlsystem z.B. so gesteuert werden, dass die Brennstoffzelle für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit gekühlt wird, nachdem das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur abgekühlt ist.
  • Beim Steuerschritt des Kühlsystems kann z.B. die Drehzahl einer Kühlpumpe und/oder die Drehzahl eines Kühlgebläses auf ein maximales Niveau gesteuert werden, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur fällt.
  • Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren kann z.B. femer das Steuern des Abschaltens der Brennstoffzelle nach Abschluss des Steuerns des Kühlsystems von der bzw. durch die Kühlsteuereinheit aufweisen, wenn das Abschaltsteuem der Brennstoffzelle nach dem Steuern des Kühlsystems angefordert wird.
  • Das System und das Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Offenbarung sind dahingehend vorteilhaft, dass die Leistung eines Brennstoffzellenstapels, die bei der Erzeugung von elektrischem Strom durch die Brennstoffzelle vermindert wird bzw. ist, wiederhergestellt wird.
  • Darüber hinaus wird die Effizienz der Stromerzeugung durch die Leistungserholung der Brennstoffzelle verbessert, wodurch sich die Brennstoffeffizienz verbessert.
  • Darüber hinaus wird die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels verzögert, wodurch die Haltbarkeit verbessert und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängert wird.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher, wobei
    • 1 ein Diagramm ist, das die Konfiguration eines Brennstoffzelle-Steuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt,
    • 2 den Leistungsabfall zeigt, der sich aus dem Hochleistungsbetrieb einer Brennstoffzelle unter verschiedenen Bedingungen ergibt,
    • 3 eine Darstellung ist, die die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle zeigt,
    • 4 eine tabellarische Ansicht ist, die die Leistungsverschlechterung einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einer Kühlbedingung in einem Unterbrechungsabschnitt zeigt, und
    • 5 ein Flussdiagramm eines Brennstoffzelle-Steuerverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine spezifische strukturelle oder funktionelle Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die in der Beschreibung oder Anwendung offenbart werden, wird lediglich zu dem Zweck gegeben, die Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben. Daher können die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Arten implementiert werden, und die vorliegende Offenbarung sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die in der Beschreibung oder Anwendung beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
  • An den Ausführungsformen können gemäß der vorliegenden Offenbarung verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, und daher werden bestimmte Ausführungsformen in den Zeichnungen dargestellt und in der Beschreibung oder in der Anmeldung beschrieben. Es ist klar, dass Ausführungsformen gemäß dem Konzept der vorliegenden Offenbarung nicht auf die besonderen offengelegten Ausführungsformen beschränkt sind, sondern dass die vorliegende Offenbarung alle Änderungen, Äquivalente und Alternativen einschließt, die in den Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung fallen.
  • Obwohl die Begriffe „Ordnungszahlen“ wie erste, zweite und dergleichen zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden können, sollten die Elemente nicht durch solche Begriffe definiert werden. Die Begriffe werden lediglich verwendet, um ein Element von einem anderen Element zu unterscheiden, so dass ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden kann, während das zweite Element in ähnlicher Weise wie das erste Element bezeichnet werden kann, ohne vom Schutzumfang gemäß dem Konzept der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Wird ein Element als mit anderen Elementen „verbunden“ oder „angeschlossen“ bezeichnet, so ist zu verstehen, dass nicht nur das Element direkt mit den anderen Elementen verbunden ist oder angeschlossen ist, sondern dass auch ein anderes Element dazwischen vorliegen kann. Im Gegensatz dazu sollte in dem Fall, in dem eine Komponente als „direkt verbunden“ oder „direkt angeschlossen“ mit einer anderen Komponente bezeichnet wird, davon ausgegangen werden, dass keine Komponente dazwischen vorliegt. Die anderen Ausdrücke zur Beschreibung einer Beziehung zwischen Strukturelementen, d.h. „zwischen“ und „lediglich zwischen“ oder „benachbart“ und „direkt benachbart“, sollten ähnlich wie die obige Beschreibung interpretiert werden.
  • In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe lediglich zur Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform verwendet und sollen die vorliegende Offenbarung nicht beschränken. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. In der Beschreibung ist zu verstehen, dass die Begriffe „einschließen“ oder „aufweisen“ das Vorliegen eines Merkmals, einer Zahl, eines Schritts, eines Vorgangs, eines Strukturelements, von Teilen oder einer Kombination davon angeben und das Vorliegen oder die Wahrscheinlichkeit der Hinzufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ziffern, Schritte, Vorgängen, Strukturelemente, Teile oder Kombinationen davon nicht ausschließen.
  • Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten Begriffe, die technische oder wissenschaftliche Terminologien einschließen, dieselbe Bedeutung, wie sie im Allgemeinen vom Fachmann verstanden werden, den die vorliegende Offenbarung betrifft. Es ist zu verstehen, dass die Begriffe, die mit den in allgemeinen Wörterbüchern definierten Begriffen identisch sind, die gleiche Bedeutung haben wie im Zusammenhang mit der verwandten Technik. Die Begriffe sollten nicht ideal oder übermäßig formal ausgelegt werden, es sei denn, sie sind derart definiert.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Gleiche Bezugszeichen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, bezeichnen ähnliche Elemente.
  • 1 ist eine Darstellung, die die Konfiguration eines Systems zum Steuern einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • Unter Bezugnahme auf die 1 weist das System zum Steuern einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung auf: eine Brennstoffzelle 10, die sowohl mit Wasserstoff als auch mit Sauerstoff versorgt wird und eingerichtet ist, um elektrischen Strom durch eine chemische Reaktion darin erzeugen, ein Kühlsystem 20 mit einer Wärmetauschervorrichtung 21, die in der Lage ist, Wärme mit Außenluft auszutauschen, wobei das Kühlsystem 20 eingerichtet ist, um Kühlwasser darin zu zirkulieren bzw. strömen zu lassen und Wärme mit der Brennstoffzelle 10 auszutauschen, eine Temperaturerfassungseinheit 30, die eingerichtet ist, um die Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder die Kühlwassertemperatur im Kühlsystem 20 zu erfassen, und eine Kühlsteuereinheit 40, die eingerichtet ist, um das Kühlsystem 20 so zu steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 zusätzlich bzw. weiter kühlt, wenn die Brennstoffzelle 10 aufhört, elektrische Leistung zu erzeugen, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder die Kühlwassertemperatur, die von der Temperaturerfassungseinheit 30 erfasst wird, während die Brennstoffzelle 10 elektrische Leistung erzeugt, gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur.
  • Die Brennstoffzelle 10 bezeichnet einen Brennstoffzellenstapel 10 einschließlich mehrerer aufeinander gestapelter Zelleinheiten. Die Brennstoffzelle 10 kann mit Wasserstoff aus einem Wasserstoffversorgungssystem versorgt werden und kann mit in der Luft enthaltenem Sauerstoff aus einem Luftversorgungssystem versorgt werden, wodurch darin eine chemische Reaktion ausgelöst wird.
  • Durch die Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelle 10 können Elektronen bewegt werden, wodurch ein elektrischer Strom und elektrische Leistung erzeugt wird. Darüber hinaus kann durch die chemische Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Brennstoffzelle 10 Wasser erzeugt werden, wodurch zusätzliche thermische Energie erzeugt wird.
  • Das Kühlsystem 20 kann Kühlwasser zirkulieren lassen, um die in der Brennstoffzelle 10 erzeugte Wärme nach außen abzuführen. Das Kühlsystem 20 kann eine Kühlpumpe 22 zum Umwälzen des Kühlwassers, eine Wärmetauschervorrichtung 21, um das darin zirkulierende Kühlwasser nach außen (bspw. aus der Brennstoffzelle) abzuführen, so dass dieses mit der Außenluft Wärme austauschen kann, und ein Kühlgebläse 23 zum Umwälzen bzw. Strömen-Lassen von Außenluft in der Nähe der Wärmetauschervorrichtung 21 aufweisen, wodurch der Wärmeaustausch der Wärmetauschervorrichtung 21 verstärkt wird.
  • Zusätzlich kann das Kühlsystem 20 ein Durchflussmengen-Einstellventil 24 aufweisen zum Einstellen des Durchflussmengenverhältnisses zwischen dem Kühlwasser, das zur Wärmetauschervorrichtung 21 (Kühler) strömt, und dem Kühlwasser, das die Wärmetauschervorrichtung 21 umgeht.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann die Kühlpumpe 22, das Kühlgebläse 23 und das Durchflussmengen-Einstellventil 24 des Kühlsystems 20 steuern und dadurch die Kühlung der Brennstoffzelle 10 steuern. Insbesondere kann die Drehzahl der Kühlpumpe 22 und des Kühlgebläses 23 oder der Öffnungsgrad des Durchflussmengen-Einstellventils 24 gesteuert werden, wodurch die Temperatur oder die Durchflussmenge des in die Brennstoffzelle 10 strömenden Kühlwassers gesteuert wird.
  • Die Temperaturerfassungseinheit 30 kann die Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder die Kühlwassertemperatur im Kühlsystem 20 erfassen, während die Brennstoffzelle 10 elektrischen Strom erzeugt. Da es schwierig ist, die Temperatur der Brennstoffzelle 10 direkt zu messen, kann die Temperaturmesseinheit 30 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur in der Nähe des Ein- oder Auslasses der Brennstoffzelle 10 abschätzen.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann die Brennstoffzelle 10 kühlen, wenn die Brennstoffzelle 10 aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen. Wie hier verwendet, kann sich das Anhalten bzw. Beenden bzw. Einstellen der Stromerzeugung darauf beziehen, dass die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 unterbrochen wird, während die Brennstoffzelle 10 eingeschaltet bleibt (bspw. Leerlauf-Stopp (FC STOP)), oder dass die Brennstoffzelle 10 ausgeschaltet wird.
  • Im Allgemeinen wird die in der Brennstoffzelle 10 ablaufende chemische Reaktion unterbrochen, wenn ein Abschalten der Brennstoffzelle 10 oder ein Eintreten in den Leerlauf-Stopp-Modus angefordert wird, und das Kühlsteuem der Brennstoffzelle 10 wird ebenfalls entsprechend unterbrochen.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 zusätzlich bzw. weiter kühlt, wenn angefordert wird, dass die Brennstoffzelle 10 abgeschaltet wird oder in den Leerlauf-Stopp-Modus eintritt. Insbesondere kann die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 zusätzlich bzw. weiter kühlt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder die Kühlwassertemperatur, die von der Temperaturerfassungseinheit 30 erfasst wird, wenn die Brennstoffzelle 10 elektrische Leistung erzeugt, gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur.
  • Die vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur kann eine vorbestimmte hohe Temperatur sein, bei der ein Leistungsabfall der Brennstoffzelle 10 wahrscheinlicher ist. Dementsprechend wird ermittelt, ob die Brennstoffzelle 10 einer hohen Temperatur ausgesetzt wurde oder nicht, während die Brennstoffzelle 10 elektrischen Strom erzeugt, und ob die Brennstoffzelle 10 gekühlt wird, wenn die Brennstoffzelle 10 aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen, falls diese einer hohen Temperatur ausgesetzt war, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle 10 wiederhergestellt wird. Konkret kühlt das Kühlsystem 20 die Brennstoffzelle 10 so, dass Dampf im Inneren der Brennstoffzelle 10 kondensiert, die einen Austrocknungszustand erreicht hat. Dementsprechend wird die Luftfeuchtigkeit gesteigert, sodass die Brennstoffzelle 10 einen feuchten Zustand erreicht, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle 10 zurückgewonnen wird.
  • Die Temperaturerfassungseinheit 30 kann die Temperatur des Kühlwassers unter dem Kühlwasser im Kühlsystem 20 messen, das in den Einlass der Brennstoffzelle 10 strömt.
  • Die Temperaturerfassungseinheit 30 kann die Temperatur des Kühlwassers an verschiedenen Stellen im Kühlsystem 20 messen oder die Temperatur der Brennstoffzelle 10 abschätzen. Insbesondere kann die Temperaturerfassungseinheit 30 die Temperatur des Kühlwassers messen, das in den Einlass der Brennstoffzelle 10 strömt.
  • Wenn die Temperatur des Kühlwassers, das in den Einlass der Brennstoffzelle 10 einströmt, gleich oder höher ist als die vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur, ist es schwierig, die Brennstoffzelle 10 auf eine Temperatur unterhalb der vorbestimmten Leistungsabfalltemperatur zu kühlen. In einer solchen Situation wird die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 über der vorbestimmten Leistungsabfalltemperatur gehalten.
  • Das Brennstoffzelle-Steuersystem kann femer eine Überwachungseinheit 50 zum Überwachen der Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms aufweisen, der von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, wenn die Brennstoffzelle 10 elektrische Leistung erzeugt. Die Kühlsteuereinheit 40 kann das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 zusätzlich kühlt, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder eine vorbestimmte Hochstrom referenz.
  • Die Überwachungseinheit 50 kann die Größe der von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms überwachen, während die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt. Die Überwachungseinheit 50 kann an einen Spannungs- oder Stromsensor angeschlossen sein, um die Spannung oder den Strom von einer Hauptbusstufe zu messen, die zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Antriebssystem (z.B. einem Motor) angeschlossen ist.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann ermitteln, ob die Größe der von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen bzw. erzeugten elektrischen Leistung gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder nicht, oder ob die Größe des von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen bzw. ausgegebenen elektrischen Stroms gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochstromreferenz oder nicht, und kann die Brennstoffzelle 10 zusätzlich kühlen, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die Hochleistungsreferenz oder die Hochstromreferenz überschritten wird.
  • Das Brennstoffzelle-Steuersystem kann femer eine Zeitmesseinheit 60 aufweisen, die eingerichtet ist, um eine Zeit(dauer) zu akkumulieren und zu messen, während der die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle 10, die von der Überwachungseinheit 50 überwacht wird, seit dem Start der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz gehalten wird. Die Kühlsteuereinheit 40 kann das Kühlsystem 20 so steuern, dass die Brennstoffzelle 10 zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die von der Zeitmesseinheit 60 gemessene akkumulierte Zeit gleich oder länger als eine vorbestimmte Zeit ist.
  • Die Zeitmesseinheit 60 kann die Zeit messen, während der die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des Stroms von der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz gehalten wird. Insbesondere kann die Zeitmesseinheit 60 die seit dem Start der Brennstoffzelle 10 akkumulierte Zeit messen, bis die Brennstoffzelle 10 die Stromerzeugung stoppt.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann das Kühlsystem 20 so steuern, dass die Brennstoffzelle 10 nur dann zusätzlich gekühlt wird, wenn die gemessene akkumulierte Zeit länger ist als die vorbestimmte Zeit. Das heißt, es kann ein Steuern so angefordert werden, dass, wenn die Brennstoffzelle 10 über einen längeren Zeitraum kontinuierlich mit hoher Leistung betrieben wird, die Brennstoffzelle 10 gekühlt und damit wiederhergestellt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Kühlsteuereinheit 40 die Erholungszeit, während der die Brennstoffzelle 10 zusätzlich bzw. weitergehend gekühlt wird, im Verhältnis zur gemessenen akkumulierten Zeit erhöhen.
  • Wenn die Brennstoffzelle 10 mit einer hohen Leistung betrieben wird, kann die Brennstoffzelle 10 aufgrund unzureichender Kühlleistung des Kühlsystems 20 einer hohen Temperatur ausgesetzt sein. Wenn die Brennstoffzelle 10 einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, erzielt der Lufteinlass, durch den Luft in die Brennstoffzelle 10 einströmt, einen Austrocknungszustand, und die (bspw. ausgetrocknete) Fläche nimmt mit der Zeit zu. Dies führt insofern zu einem Problem, als der Innenwiderstand der Brennstoffzelle 10 zunimmt. Das heißt, auf den Hochleistungsbetrieb der Brennstoffzelle 10 folgt eine Leistungsverschlechterung bzw. Leistungsabnahme der Brennstoffzelle 10.
  • Zusätzlich erhöht sich mit dem Erweitern des Austrocknungszustands durch den Lufteinlass der Brennstoffzelle 10 der Widerstand einer in der Brennstoffzelle 10 enthaltenen Schicht. Dies führt zu einer irreversiblen Schädigung der Brennstoffzelle 10. Außerdem wird beim Neustart der Brennstoffzelle 10 aufgrund der Leistungsverschlechterung eine geringere Leistung beibehalten. Dadurch erhöht sich die durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugte Wärme, wodurch sich das Problem einer weiteren Erhöhung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 stellt.
  • 2 zeigt den Leistungsabfall bzw. die Leistungsverschlechterung, der sich aus dem Hochleistungsbetrieb der Brennstoffzelle 10 unter verschiedenen Bedingungen ergibt.
  • Unter Bezugnahme auf 2 wird die durchschnittliche Zellspannung der Brennstoffzelle 10 in Verbindung mit einer fortgesetzten Betriebszeit der Brennstoffzelle 10 in jedem Zustand dargestellt. 2 zählt insbesondere die Versuchsdaten unter Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 10 über mehrere zehn Stunden auf.
  • Konkret betrifft die durchschnittliche Zellenspannung die durchschnittliche Spannung der Einheitszellen, die in der Brennstoffzelle 10 enthalten sind, während die Brennstoffzelle 10 den gleichen Strom abgibt. Eine Abnahme der durchschnittlichen Zellenspannung bei gleichem Ausgangsstrom bedeutet eine Abnahme der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10. Das heißt, eine Abnahme der dargestellten durchschnittlichen Zellenspannung bedeutet eine Verschlechterung bzw. ein Abfall der Leistung der Brennstoffzelle 10.
  • Erstens, (1) entspricht einer Situation, in der die Brennstoffzelle 10 kontinuierlich einen hohen Strom abgibt, und entspricht einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 10 ohne Unterbrechung der Stromerzeugung betrieben wird (ohne Einstellen der Stromerzeugung). Eine Verschlechterung der Leistung der Brennstoffzelle 10 als Folge eines kontinuierlichen Hochstrombetriebs der Brennstoffzelle 10 kann bestätigt werden.
  • In der Situation von (2) wird die Brennstoffzelle 10 so betrieben, dass sie abwechselnd einen hohen Strom und einen niedrigeren Strom abgibt, und dies entspricht einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 10 ohne Unterbrechung der Stromerzeugung betrieben wird. Es kann bestätigt werden, dass sich die Leistung der Brennstoffzelle 10 kontinuierlich verschlechtert, wenn kein Unterbrechungsabschnitt (bspw. ist ein Unterbrechungsabschnitt eine Zeitdauer, währenddessen die Brennstoffzelle kein Strom erzeugt jedoch gekühlt wird) einbezogen wird.
  • In den Fällen von (3) und (4) wird die Brennstoffzelle 10 so betrieben, dass sie abwechselnd einen hohen und einen niedrigeren Strom abgibt, und die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 wird alle zwei Stunden unterbrochen. Das heißt, dass unter den Bedingungen von (3) und (4) alle zwei Stunden eine Unterbrechung der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 durchgeführt wird.
  • Insbesondere wird im Falle von (3) eine Aussetzungs- bzw. Unterbrechungsdauer von zehn Minuten und im Falle von (4) eine Aussetzungs- bzw. Unterbrechungsdauer von zehn Sekunden aufrechterhalten. In beiden Fällen von (3) und (4) wird Kühlwasser zirkuliert, um die Brennstoffzelle 10 in jedem Unterbrechungsabschnitt zu kühlen.
  • Es kann bestätigt werden, dass in den Fällen (3) und (4) das Kühlsystem 20 gesteuert wird, um die Brennstoffzelle 10 zu kühlen, wenn die Stromerzeugung unterbrochen ist, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle 10 erhalten bleibt. Insbesondere kann durch einen Vergleich des Ergebnisses von (3) mit dem Ergebnis von (4) bestätigt werden, dass die höhere Leistung der Brennstoffzelle 10 erhalten bleibt, je länger der Unterbrechungsabschnitt dauert.
  • In den Fällen (5) und (6) wird die Brennstoffzelle 10 betrieben, um kontinuierlich einen hohen Strom abzugeben, und die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 wird alle zwei Stunden unterbrochen. Das heißt, dass unter den Bedingungen von (5) und (6) alle zwei Stunden eine Unterbrechung der Stromerzeugung bereitgestellt ist.
  • Im Fall von (5) wird der Unterbrechungsabschnitt für zehn Sekunden aufrechterhalten, so dass es zu einer natürlichen Abkühlung kommt. Im Fall von (6) wird der Unterbrechungsabschnitt für eine Minute aufrechterhalten, und das Kühlsystem 20 wird so gesteuert, dass das Kühlwasser zirkuliert. Ein Vergleich des Ergebnisses von (6) mit dem Ergebnis von (5) bestätigt, dass durch die Zirkulation von Kühlwasser mit einer niedrigen Temperatur während des Unterbrechungsabschnitts die Kühlleistung verbessert wird, wodurch eine bessere Leistung der Brennstoffzelle 10 aufrechterhalten wird.
  • 3 ist eine Darstellung zur Veranschaulichung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10. 4 ist eine Tabelle, die die Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle 10 in Abhängigkeit von einer Abkühlbedingung in einem Unterbrechungsabschnitt zeigt.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 3 und 4 werden die Tests unter den Bedingungen von (1) bis (3) wiederholt, dass die Brennstoffzelle 10 in einem Unterbrechungsabschnitt im Betriebsvorgang der Brennstoffzelle 10 gekühlt wird, um einen hohen Strom abzugeben, während die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 variiert wird.
  • Ein Vergleich der Ergebnisse von (1) bis (3) bestätigt, dass bei einer relativ niedrigen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 zwar nur eine geringe Leistungsverschlechterung eintritt, dass aber die Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle 10 allmählich auf ein erhebliches Maß ansteigt, wenn die Betriebstemperatur allmählich ansteigt.
  • Das heißt, je höher die Temperatur, der die Brennstoffzelle 10 ausgesetzt ist, desto größer ist die Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle 10.
  • Unter der Bedingung von (4) werden die Tests während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wiederholt, um einen hohen Strom auszugeben, und sie wird für einen kurzen Unterbrechungsabschnitt natürlich gekühlt, so dass die Temperatur der Brennstoffzelle 10 um 5 [°C] sinkt.
  • Ein Vergleich zwischen dem Ergebnis (4) und den Ergebnissen von (1) bis (3) bestätigt, dass eine Leistungsverschlechterung eintritt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 während des Unterbrechungsabschnitts nicht ausreichend absinkt, selbst wenn die Brennstoffzelle 10 bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben wird.
  • Dementsprechend kann bestätigt werden, dass die Leistung der Brennstoffzelle 10 wiederhergestellt werden kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 gesenkt wird, indem die Brennstoffzelle 10 während des Unterbrechungsabschnitts (während des Aussetzens bzw. Unterbrechens der Stromerzeugung) ausreichend gekühlt wird.
  • Das heißt, die Leistung der Brennstoffzelle 10 kann nur dann wiederhergestellt werden, wenn die Brennstoffzelle 10 durch Zwangskühlung ausreichend gekühlt wird.
  • Darüber hinaus werden unter den Bedingungen von (5) und (6) die Tests während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wiederholt, um einen hohen Strom bei einer relativ hohen Temperatur der Brennstoffzelle 10 abzugeben, wobei ein langer Unterbrechungsabschnitt bzw. ein kurzer Unterbrechungsabschnitt beibehalten wird.
  • Insbesondere unter der Bedingung von (5) wird die Brennstoffzelle 10 auf 35 [°C] abgekühlt, indem sie mit Kühlwasser bei 35 [°C] zwangsweise über einen längeren Zeitraum gekühlt wird. Unter der Bedingung von (6) wird die Brennstoffzelle 10 kurzzeitig zwangsgekühlt, wodurch die Brennstoffzelle 10 also nicht ausreichend gekühlt wird.
  • Aus den Ergebnissen von (5) und (6) geht klar hervor, dass selbst wenn die Brennstoffzelle 10 bei einer relativ hohen Temperatur betrieben wird, die Leistung der Brennstoffzelle 10 nach einer ausreichenden Unterbrechungszeit(dauer) wiederhergestellt wird. Darüber hinaus ist es schwierig, die Leistung der Brennstoffzelle 10 ausreichend wiederherzustellen, wenn der Unterbrechungsabschnitt nicht über einen ausreichend langen Zeitraum andauert.
  • Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Leistung der Brennstoffzelle 10 nur dann wiederhergestellt werden kann, wenn die Brennstoffzelle 10 für eine ausreichende Zeit gekühlt wird, wenn die Brennstoffzelle 10 aufhört, Strom zu erzeugen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 für eine vorbestimmte erste Erholungszeit kühlt, die bei einer Anforderung zum Aussetzen bzw. Unterbrechen der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 eingeleitet wird.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann die Brennstoffzelle 10 so steuern, dass sie die Stromerzeugung auf Anforderung stoppt, um die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 zu stoppen. In einer Ausführungsform kann die Kühlsteuereinheit 40 die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 10 so steuern, dass die Luftzufuhr unterbrochen wird.
  • Gleichzeitig kann die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 für eine vorbestimmte erste Erholungszeit kühlt. Die vorbestimmte erste Erholungszeit kann so vorbestimmt werden, dass sie etwa 30 Minuten oder länger dauert, was ausreichend Zeit ist, damit der Dampf im Inneren der Brennstoffzelle 10 einen Zustandswechsel in einen Tröpfchen- bzw. Kondensationszustand erfährt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit kühlt, nachdem das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur abgekühlt wurde.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 bei einer Anforderung zum Stoppen der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 kühlt, und kann das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur kühlen. Insbesondere kann die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 so steuern, dass es die Brennstoffzelle 10 für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit kühlt, nachdem das Kühlwasser (die Temperatur) auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur gefallen ist.
  • Wie hier verwendet, betrifft die Temperatur des Kühlwassers eine von der Temperaturerfassungseinheit 30 gemessene Temperatur und kann die Temperatur des Kühlwassers sein, das in den Einlass der Brennstoffzelle 10 strömt. Die vorbestimmte Erholungstemperatur kann etwa 30°C betragen.
  • Das heißt, die Kühlsteuereinheit 40 kann die Brennstoffzelle 10 kühlen und dabei das Kühlwasser für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit aufrechterhalten.
  • Das Kühlsystem 20 kann eine Kühlpumpe 22 für die Zirkulation des Kühlwassers und ein Kühlgebläse 23 für die Zirkulation der Außenluft in der Nähe des Kühlers aufweisen.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann die Drehzahl der Kühlpumpe 22 oder die Drehzahl des Kühlgebläses 23 auf ein maximales Niveau steuern, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur fällt, und kann das Kühlsystem 20 so steuern, dass die Kühlwassertemperatur für eine zweite Erholungszeit auf der vorbestimmten Erholungstemperatur gehalten wird.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann bei Anforderung zum Stoppen der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 10 die Drehzahl der Kühlpumpe 22 oder die Drehzahl des Kühlgebläses 23 auf ein maximales Niveau steuern, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur fällt.
  • Dadurch wird die Temperatur des Kühlsystems 20, das die Brennstoffzelle 10 kühlt, schlagartig gesenkt, wodurch die Brennstoffzelle 10 gekühlt wird, so dass die Erholung der Brennstoffzelle 10 maximiert werden kann.
  • Die Kühlsteuereinheit 40 kann das Kühlsystem 20 so steuern, dass, wenn die Temperatur des Kühlsystems 20 auf die vorbestimmte Erholungstemperatur fällt, die vorbestimmte Erholungstemperatur danach beibehalten wird. Das heißt, die Drehzahl der Kühlpumpe 22 und die Drehzahl des Kühlgebläses 23 können so gesteuert werden, dass die Kühlwassertemperatur auf der vorbestimmten Erholungstemperatur gehalten wird.
  • Das Brennstoffzelle-Steuersystem kann femer eine Start-Steuereinheit 70 aufweisen, die eingerichtet ist, um zu ermitteln, ob das Kühlsystem 20 von der Kühlsteuereinheit 40 gesteuert werden soll oder nicht, wenn das Abschalten der Brennstoffzelle 10 angefordert wird, und um das Abschalten der Brennstoffzelle 10 zu steuern, nachdem das Steuern des Kühlsystems 20 von der Kühlsteuereinheit 40 abgeschlossen ist.
  • Wenn eine Eingabe zum Abschalten der Brennstoffzelle 10 empfangen wird, kann das Abschalten der Brennstoffzelle 10 angefordert werden. Das Abschaltsteuem der Brennstoffzelle 10 kann ein Steuern für ein Vorhalten bzw. Bereitstellen der Brennstoffzelle 10 sein, die die Stromerzeugung für lange Zeit eingestellt hat (z.B. Steuerung der Kathoden-Sauerstoffverarmung (COD)).
  • Die Start-Steuereinheit 70 kann ermitteln, ob das Kühlsystem 20 von der Kühlsteuereinheit 40 gesteuert werden soll oder nicht. Insbesondere kann die Start-Steuereinheit 70 sofort ein Abschaltsteuem der Brennstoffzelle 10 durchführen, wenn keine Anforderung vorliegt, dass die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 so steuert, um die Brennstoffzelle 10 zusätzlich zu kühlen.
  • Wenn es jedoch eine Anforderung gibt, dass die Kühlsteuereinheit 40 das Kühlsystem 20 steuert, kann die Start-Steuereinheit 70 das Abschalten der Brennstoffzelle 10 steuern (bspw. verzögern), nachdem die Kühlsteuereinheit 40 das Steuern des Kühlsystems 20 beendet hat.
  • 5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Bezugnehmend auf 5 weist das Verfahren zum Steuern einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die folgenden Schritte auf: Erfassen der Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder der Kühlwassertemperatur des Kühlsystems 20, wenn die Brennstoffzelle 10 Strom erzeugt (S100), Vergleichen der erfassten Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder der erfassten Kühlwassertemperatur mit einer vorbestimmten Leistungsabfalltemperatur (S400), und Steuern des Kühlsystems 20, um die Brennstoffzelle 10 zusätzlich zu kühlen, wenn die Brennstoffzelle 10 aufhört, Strom zu erzeugen (S300), wenn die erfasste Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder die erfasste Kühlwassertemperatur gleich oder höher ist als die vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur (S600).
  • Das Verfahren kann ferner einen Schritt zum Überwachen der Größe des elektrischen Stroms oder der von der Brennstoffzelle 10 abgegebenen Leistung aufweisen, wenn die Brennstoffzelle 10 Leistung erzeugt (S100), bevor der Schritt zum Steuern des Kühlsystems 20 (S600) erfolgt. Im Schritt der Kühlung des Kühlsystems 20 (S600) kann das Kühlsystem 20 so gesteuert werden, dass es die Brennstoffzelle 10 zusätzlich kühlt, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des Stroms von der Brennstoffzelle 10 gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder eine vorbestimmte Hochstromreferenz.
  • Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Akkumulierens und Messens der Zeit aufweisen, während der die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle 10, die nach dem Start der Brennstoffzelle 10 überwacht wird, gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz (S200) gehalten wird, nach dem Schritt des Überwachens der Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms (S100). In dem Schritt des Steuerns des Kühlsystems 20 (S600) kann das Kühlsystem 20 so gesteuert werden, dass es die Brennstoffzelle 10 zusätzlich kühlt, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die von einer Zeitmesseinheit 60 gemessene akkumulierte Zeit gleich oder länger ist als eine vorbestimmte Zeit (S500).
  • Im Schritt des Steuerns des Kühlsystems 20 (S400) kann das Kühlsystem 20 so gesteuert werden, dass es die Brennstoffzelle 10 für eine zweite Erholungszeit kühlt, nachdem das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur abgekühlt ist.
  • Im Schritt des Steuerns des Kühlsystems 20 (S600) kann die Drehzahl der Kühlpumpe 22 oder die Drehzahl des Kühlgebläses 23 auf ein maximales Niveau gesteuert werden, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperaturfällt, und das Kühlsystem 20 kann so gesteuert werden, dass die Kühlwassertemperatur für eine zweite Erholungszeit auf der vorbestimmten Erholungstemperatur gehalten wird.
  • Das Verfahren kann ferner einen Schritt zum Steuern des Abschaltens der Brennstoffzelle 10 nach Abschluss des Steuerns des Kühlsystems 20 von der Kühlsteuereinheit 40 aufweisen, wenn das Abschaltsteuem der Brennstoffzelle 10 (S700) nach dem Schritt des Steuerns des Kühlsystems 20 (S600) angefordert wird.
  • Die Temperaturerfassungseinheit 30, die Kühlsteuereinheit 40, die Überwachungseinheit 50, die Zeitmesseinheit 60 und die Start-Steuereinheit 70 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können durch einen nichtflüchtigen Speicher (nicht abgebildet), der eingerichtet ist, um einen Algorithmus zu speichern, der eingerichtet ist, um Vorgänge verschiedener Komponenten eines Fahrzeugs oder Daten bezüglich Software-Anweisungen zur Reproduktion des Algorithmus zu steuern, und einen Prozessor (nicht abgebildet), der eingerichtet ist, um unten beschriebene Vorgänge unter Verwendung der im Speicher gespeicherten Daten durchzuführen, implementiert werden. Der Speicher und der Prozessor können als individuelle Chips implementiert werden. Alternativ können der Speicher und der Prozessor als ein einziger integrierter Chip implementiert werden. Der Prozessor kann der Art eines oder mehrerer Prozessoren haben.
  • Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf besonderen Ausführungsformen beschrieben und illustriert wurde, ist es für den Fachmann klar, dass verschiedene Verbesserungen und Modifikationen der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können, ohne von der technischen Idee der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, die durch die folgenden Ansprüche vermittelt wird.

Claims (14)

  1. Ein Brennstoffzelle-Steuersystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), die mit sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff versorgt wird und eingerichtet ist, um durch eine chemische Reaktion darin elektrischen Strom zu erzeugen, ein Kühlsystem (20) mit einer Wärmetauscheinrichtung (21), die in der Lage ist, Wärme mit Außenluft auszutauschen, wobei das Kühlsystem (20) eingerichtet ist, um Kühlwasser darin zu zirkulieren und Wärme mit der Brennstoffzelle (10) zu tauschen, eine Temperaturerfassungseinheit (30), die eingerichtet ist, um eine Brennstoffzellentemperatur oder eine Kühlwassertemperatur im Kühlsystem (20) zu erfassen, und eine Kühlsteuereinheit (40), die eingerichtet ist, um das Kühlsystem (20) so zu steuern, dass die Brennstoffzelle (10) zusätzlich gekühlt wird, wenn die Brennstoffzelle (10) aufhört, elektrische Energie zu erzeugen, falls die Brennstoffzellentemperatur oder die Kühlwassertemperatur, die von der Temperaturerfassungseinheit (30) erfasst wird, während die Brennstoffzelle (10) elektrische Energie erzeugt, gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur.
  2. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß Anspruch 1, wobei die Temperaturerfassungseinheit (30) eingerichtet ist, um die Temperatur des in einen Einlass der Brennstoffzelle (10) einströmenden Kühlwassers unter dem Kühlwasser im Kühlsystem (20) zu messen.
  3. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß Anspruch 1 oder 2, femer eine Überwachungseinheit (50) aufweisend, die eingerichtet ist, um die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms zu überwachen, der von der Brennstoffzelle (10) ausgegeben wird, wenn die Brennstoffzelle (10) elektrische Leistung erzeugt, wobei die Kühlsteuereinheit (40) eingerichtet ist, um das Kühlsystem (20) so zu steuern, dass die Brennstoffzelle (10) zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms von der Brennstoffzelle (10) gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder eine vorbestimmte Hochstrom referenz.
  4. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß Anspruch 3, femer eine Zeitmesseinheit (60) aufweisend, die eingerichtet ist, um eine Zeit zu akkumulieren und zu messen, während der die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms, die bzw. der von der Überwachungseinheit (50) überwacht wird, seit dem Start der Brennstoffzelle (10) gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz gehalten wird, wobei die Kühlsteuereinheit (40) eingerichtet ist, um das Kühlsystem (20) so zu steuern, dass die Brennstoffzelle (10) zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die von der Zeitmesseinheit (60) gemessene und akkumulierte Zeit gleich oder länger ist als eine vorbestimmte Zeit.
  5. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlsteuereinheit (40) eingerichtet ist, um das Kühlsystem (20) so zu steuern, dass die Brennstoffzelle (10) für eine vorbestimmte erste Erholungszeit seit einer Anforderung zum Stoppen der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle (10) gekühlt wird.
  6. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlsteuereinheit (40) eingerichtet ist, um das Kühlsystem (20) so zu steuern, dass es die Brennstoffzelle (10) für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit kühlt, nachdem das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur abgekühlt ist.
  7. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß Anspruch 6, wobei das Kühlsystem (20) eine Kühlpumpe (22), die eingerichtet ist, um Kühlwasser zirkulieren zu lassen, und ein Kühlgebläse (23) aufweist, das eingerichtet ist, um Außenluft in die Nähe eines Kühlers (21) zirkulieren zu lassen, und die Kühlsteuereinheit (40) eingerichtet ist, um die Drehzahl der Kühlpumpe (22) und/oder die Drehzahl des Kühlgebläses (23) auf ein maximales Niveau zu steuern, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur fällt, und dass sie das Kühlsystem (20) so steuert, dass die Kühlwassertemperatur für eine zweite Erholungszeit auf der vorbestimmten Erholungstemperatur gehalten wird.
  8. Das Brennstoffzelle-Steuersystem gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine Start-Steuereinheit (70) aufweisend, die eingerichtet ist, um zu ermitteln, ob das Kühlsystem (20) von der Kühlsteuereinheit (40) gesteuert werden soll oder nicht, wenn das Abschalten der Brennstoffzelle (10) angefordert wird, und um das Abschalten der Brennstoffzelle (10) zu steuern, nachdem das Steuern des Kühlsystems (20) der Kühlsteuereinheit (40) abgeschlossen ist.
  9. Ein Brennstoffzelle-Steuerverfahren, aufweisend: Erfassen (S100) einer Brennstoffzellen- oder Kühlwassertemperatur in einem Kühlsystem, wenn eine Brennstoffzelle elektrischen Strom erzeugt, Vergleichen (S400) der erfassten Brennstoffzellentemperatur oder Kühlwassertemperatur mit einer vorbestimmten Leistungsabfalltemperatur, und Steuern (S600) des Kühlsystems, um die Brennstoffzelle zusätzlich zu kühlen, wenn die Brennstoffzelle aufhört, elektrischen Strom zu erzeugen, wenn die gemessene Brennstoffzellentemperatur oder Kühlwassertemperatur gleich oder höher ist als die vorbestimmte Leistungsabfalltemperatur.
  10. Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren gemäß Anspruch 9, femer Überwachen der Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms aufweisend, der von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt, vor dem Steuern des Kühlsystems, wobei beim Steuern (S600) des Kühlsystems das Kühlsystem so gesteuert wird, dass die Brennstoffzelle zusätzlich gekühlt wird, wenn die Stromerzeugung stoppt, wenn die überwachte Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms aus der Brennstoffzelle gleich oder höher ist als eine vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder eine vorbestimmte Hochstromreferenz.
  11. Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren gemäß Anspruch 10, femer Akkumulieren und Messen (S200) einer Zeit aufweisend, während der die Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms, die nach dem Starten der Brennstoffzelle überwacht wird, gleich oder höher als die vorbestimmte Hochleistungsreferenz oder die vorbestimmte Hochstromreferenz gehalten wird, nach dem Überwachen der Größe der elektrischen Leistung oder des elektrischen Stroms, wobei beim Steuern (S600) des Kühlsystems das Kühlsystem so gesteuert wird, dass die Brennstoffzelle bei Stopp der Stromerzeugung zusätzlich gekühlt wird, wenn die von einer Zeitmesseinheit gemessene und akkumulierte Zeit gleich oder länger ist als eine vorbestimmte Zeit.
  12. Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, wobei beim Steuern (S600) des Kühlsystems das Kühlsystem so gesteuert wird, dass es die Brennstoffzelle für eine vorbestimmte zweite Erholungszeit kühlt, nachdem das Kühlwasser auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur abgekühlt ist.
  13. Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren gemäß Anspruch 12, wobei beim Steuern (S600) des Kühlsystems die Drehzahl einer Kühlpumpe und/oder die Drehzahl eines Kühlgebläses auf ein maximales Niveau gesteuert wird, bis die Kühlwassertemperatur auf eine vorbestimmte Erholungstemperatur fällt, und das Kühlsystem so gesteuert wird, dass die Kühlwassertemperatur für eine zweite Erholungszeit auf der vorbestimmten Erholungstemperatur gehalten wird.
  14. Das Brennstoffzelle-Steuerverfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13, ferner das Steuern (S700) des Abschaltens der Brennstoffzelle nach dem Steuern des Kühlsystems der Kühlsteuereinheit aufweisend, wenn das Abschaltsteuem der Brennstoffzelle nach dem Steuern des Kühlsystems angefordert wird.
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