DE112010005582T5

DE112010005582T5 - Schnell-Neustart eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers als Alternative zu Leerlauf

Info

Publication number: DE112010005582T5
Application number: DE112010005582T
Authority: DE
Inventors: Venkateshwarlu Yadha; Matthew P. Wilson; Matthew I. Riley; Sitaram Ramaswamy
Original assignee: UTC Power Corp
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2013-05-02
Also published as: US9509002B2; WO2011146041A1; US20130108941A1

Abstract

Ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger bleibt auf dem Laufenden, wie mit einem Brennstoff-AUS-Zeitgeber (41), über das Ausmaß, in dem eine Außerbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stromerzeugers stattgefunden hat, falls der Brennstoffzellen-Stromerzeuger schnell den Befehl erhält, den vollen Betrieb wieder aufzunehmen. In einer Ausführungsform wird, wenn der Brennstoff-AUS-Zeitgeber zu der Zeit, zu der der Brennstoffzellen-Stromerzeuger angewiesen wird, den vollen Betrieb wieder aufzunehmen, nicht abgelaufen ist, ein Brennstoff-AN-Zeitgeber eingestellt (51) auf den Wert des Brennstoff-AUS-Zeitgebers, wenn der Brennstoffzellen-Stromerzeuger angewiesen wird, den vollen Betrieb wieder aufzunehmen. Dann wird der Brennstoffzellen-Stromerzeuger wieder mit Brennstoff versorgt (22) während einer Zeitdauer, die in Beziehung steht zu der Einstellung des Brennstoff-AUS-Zeitgebers, anstatt eine vollständige Brennstoffspülung durchzuführen.

Description

Technisches Gebiet
Ein Brennstoffzellen-Stromerzeuger, wie einer, der Elektrizität zum Antreiben eines elektrischen Fahrzeugs bereitstellt, die häufig im Leerlauf betrieben werden, wenn wenig oder keine Energie erforderlich ist, um die zwei oder drei Minuten zu vermeiden, die typischerweise erforderlich sind, um den Brennstoffzellen-Stromerzeuger neu zu starten, wird mit einer Schnell-Neustart-Funktion ausgestattet, wenn er nur eine kurze Zeit vorher außer Betrieb genommen wurde, um die Notwendigkeit zu verringern, dass der Brennstoffzellen-Stromerzeuger im Leerlauf betrieben werden muss.
Technischer Hintergrund
Protonenaustauschermembran-Brennstoffzellen werden als recht brauchbar betrachtet für Anwendungen, in denen der Brennstoffzellen-Stromerzeuger den Elektromotor eines Fahrzeugs mit Elektrizität versorgt. Bei manchen Anwendungen, wie Stadtbussen und Paketauslieferungs-Lastkraftwagen, hält das Fahrzeug häufig an, meist für eine kurze Zeitdauer. Immer wenn der Elektromotor wenig oder keine Energie von der Brennstoffzelle anfordert, ist die Stromdichte sehr niedrig und die Spannung der Zellen steigt an bis in die Nähe von Offenkreispotentialen. Ein Laden von Batterien kann zwar dabei helfen, die erhöhten Potentiale zu vermeiden, aber das kann nicht geschehen, wenn der Ladungszustand hoch ist.
Die Praxis, die Brennstoffzelle außer Betrieb zu nehmen anstatt sie im Leerlauf zu betreiben, wurde selten genutzt, weil es, sobald die Brennstoffzelle außer Betrieb genommen ist, ein paar Minuten dauert, sie wieder in den vollen Betrieb zu bringen. Daher geben die Betreiber überwiegend einem Betrieb im Leerlauf den Vorzug, obwohl eine Oxidation des Katalysators insbesondere an der Kathode auftritt.
Zusammenfassung
Um einen Betrieb im Leerlauf zu vermeiden, wird eine schnelle Neustart-Funktion benötigt, um einen Neustart zu erleichtern, wann immer das Fahrzeug einen Startbefehl gibt, kurz nachdem dem Brennstoffzellen-Stromerzeuger der Befehl zur Außerbetriebnahme gegeben wurde. Ein Ausstatten des Steuer/Regelsystems des Brennstoffzellen-Stromerzeugers mit der Fähigkeit zu einem Schnell-Neustart erfordert in erster Linie ein Verringern der Zeit, die notwendig ist, um a) das Wärmemanagementsystem in Betrieb zu bekommen und b) den gesamten oder einen Teil des Brennstoffzufuhr-Inbetriebnahme-Vorgangs, der für eine normale Inbetriebnahme von Belang ist, durchzuführen.
Bei einer Ausführungsform wird während einer Außerbetriebnahme die Zeit seit der Einleitung des Abstellens des Brennstoffsystems überwacht, so dass im Fall eines kurz danach erfolgenden Befehls zu einem Neustart das Ausmaß der Brennstoffspülung in entsprechend angepasster Weise (proportional kurz) durchgeführt werden kann, anstatt dass dies in gleicher Weise durchgeführt würde, wie es während einer normalen Inbetriebnahme nach einer viel längeren Außerbetriebszeit, wie beim Beginn eines Betriebstags, der Fall wäre. Bei einer Ausführungsform wird das Wärmemanagementsystem während einer Außerbetriebnahme nicht abgeschaltet, bis das Brennstoffsystem eine entsprechend angepasste Zeit hatte, um völlig abgeschaltet zu werden. Dies macht es weniger wahrscheinlich, dass das Brennstoff-Managementsystem vollständig gefüllt werden muss, außer wenn eine ausgedehnte Außerbetriebnahme stattfindet.
Andere Variationen werden im Licht der folgenden genauen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, wie wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht sind, deutlicher werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein vereinfachtes Funktionsablaufdiagramm, das eine Ausführungsform eines Schnell-Neustarts eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers veranschaulicht.
2 ist eine vereinfachte Version von 1, die das Schnellstartmerkmal deutlicher veranschaulicht.
Ausführungsart(en)
Bezug nehmend auf 1 hat ein Verfahren 11 zur Unterstützung des Schnell-Neustarts eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers zwei stabile Betriebsarten: (1) einen Brennstoffzellen-Standby-Modus 12, wenn die Brennstoffzelle abgeschaltet ist und die Kontroll- bzw. Steuer/Regeleinrichtung der Brennstoffzelle auf eine Anforderung des Fahrzeugs wartet, dass der Brennstoffzellen-Stromerzeuger laufen soll, und (2) einen Lastbereit-Modus 13. Weil es signifikante Unterschiede gibt zwischen den Hauptsteuer/regelkreisen verschiedener Brennstoffzellen-Stromerzeuger, wurde die Darstellung in der Figur vereinfacht durch Weglassen von Ereignissen, die die Beendigung irgendeines bestimmten Schritts oder die Erfüllung einer erforderlichen Bedingung anzeigen. Beispielsweise kann in einem Stromerzeuger eine angemessene Kathoden-Gasrückzirkulierung durch passende Ventileinstellungen und einen passenden Gebläsebetrieb für eine vorbestimmte Zeitdauer erzielt werden. Alternativ kann ein Wasserstoffsensor in der Kathoden-Gasströmung als ein Indikator, dass die Kathoden-Rückzirkulierung zum Verbrauch von Sauerstoffgas vollendet wurde, verwendet werden. Die Art der Veranlassung einer schrittweisen Fortsetzung steht nicht in Beziehung zu dem hier beschriebenen Schnell-Neustart. Es wird angenommen, dass alle derartigen speziellen Details leicht angepasst werden, sobald die beispielhafte Ausführungsform des Schnell-Neustarts deutlich geworden ist.
Solange ein Test 14 negativ ist, bleibt der Brennstoffzellen-Stromerzeuger im Standby-Modus 13. Sobald das Fahrzeug eine Anforderung zu laufen ausgibt, wird ein Fahrzeug-Laufanforderungsanzeiger gleich „1” gesetzt, und der Test 14 ist bestätigend bzw. positiv. Andere Anzeichen für den Bedarf an Fahrzeugantrieb können verwendet werden.
Um den Brennstoffzellen-Stromerzeuger in Betrieb zu bekommen, kann ein erster Schritt sein, das Temperaturmanagementsystem in einem Schritt 17 anzuschalten. Die Temperaturmanagementsystem-Startentscheidung variiert in Abhängigkeit von den Kenndaten des Brennstoffzellen-Stromerzeugers, die nicht in Beziehung mit der Offenbarung hierin stehen. Das Temperaturmanagementsystem kann erst später in dem Inbetriebnahme-Prozess angeschaltet werden, oder um das Erreichen der Betriebstemperatur zu unterstützen, oder aus einem anderen Grund.
Als nächstes leitet ein Schritt 19 das Anstellen eines als ”Brennstoff-EIN-Zeitgebers” bezeichneten Ablaufzeit-Zeitgebers ein. Der Zeitgeber wird eingestellt auf einen Wert, der als eine Funktion des Betriebszustands des Brennstoffzellen-Stromerzeugers zum Zeitpunkt der Startanforderung variiert. Der Betriebszustand variiert von einer Inbetriebnahme aus einer vollständigen Außerbetriebsetzung, im Gegensatz zu einer Inbetriebnahme unter Verwendung eines Schnell-Neustartprozesses, wie er hierin im Folgenden vollständiger beschrieben wird. Die in dem Zeitgeber eingestellte Zeit ist so, dass sie für die notwendige Brennstoff-Spülung sorgt.
Ein Schritt 22 leitet einen Prozess des Füllens der Anode und der Brennstoff-Rückzirkulierungsleitung mit Brennstoff ein. Ein zugehöriger Test 23 stellt fest, ob der ”Brennstoff-EIN-Zeitgeber” abgelaufen ist oder nicht; solange er nicht abgelaufen ist, wird die Brennstoffzuführung als Reaktion auf Schritt 22 fortgesetzt. Sobald der ”Brennstoff-EIN-Zeitgeber” abgelaufen ist, erreicht ein positives Ergebnis des Tests 23 einen Schritt 25, der veranlasst, dass das Gebläse startet, um die Kathode mit Luft zu füllen. Dann kann ein Schritt 28 den Hauptlastschalter schließen, um den Zustand des Brennstoffzellen-Stromerzeugers in einen ”Lastbereit”-Modus 29 weiterzuschalten, in dem der Brennnstoffzellen-Stromerzeuger bereit ist, eine beliebige Last von einer Null-Last bis zu ihrer Maximallast zu bedienen. In diesem Modus findet ein normaler Betrieb statt.
Zur Außerbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stromerzeugers wird der Fahrzeug-Laufanforderungs-Anzeiger auf „0” gesetzt. Dies wird überwacht in einem Test 32, der den Brennstoffzellen-Stromerzeuger in dem Lastbereit-Modus 29 hält, wenn der Fahrzeug-Laufanforderungs-Anzeiger nicht auf „0” gesetzt wird. Ein positives Ergebnis des Tests 32 erreicht einen Schritt 34, der den Hauptlastschalter öffnet und den Stapel an Spannungs-Begrenzungsvorrichtungen anschließt. Die Spannungs-Begrenzungsvorrichtungen helfen dabei, unkontrollierte Zellenpotentiale eines offenen Kreises zu verhindern. Ein Schritt 36 veranlasst, dass das Kathodenabgas zum Eingang der Kathodenströmungsfelder zurückzirkuliert wird, um den Sauerstoffgehalt darin zu verringern. Sauerstoff wird verbraucht, wenn sich der Sauerstoff mit Wasserstoff, der von der Anode durch die Membran übertritt, vereinigt, und durch den Zellenstrom, der durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtungen des Stapels gezogen wird. Wenn eine vorbestimmte Zeitspanne der Kathoden-Rückzirkulierung geschehen ist, wird das Luft-Gebläse durch einen Schritt 37 abgeschaltet.
Nach der Außerbetriebnahme des Luft-Gebläses wird in einem Schritt 41 ein Brennstoff-AUS-Ablaufzeit-Zeitgeber auf einen Zählerstand Null eingestellt. Gleichzeitig mit Schritt 41 findet das Abschalten des Brennstoffzellen-Brennstoffsystems des Brennstoffzellen-Stromerzeugers statt, in einem Schritt 42. Wenn ein Schnell-Neustartvorgang zu verwenden ist, bestimmen die Kenndaten eines Brennstoffzellen-Stromerzeugers den zum Abschalten des Brennstoffsystems verwendeten Prozess, in erster Linie die Zeitdauer, die zum Abstellen des Brennstoffsystems erforderlich ist. Während der Zeit, in der sich das Brennstoffsystem abstellt, überwacht ein Test 44, ob ein Schnell-Neustart angefordert wird (oder nicht) durch Testen des Fahrzeug-Laufanforderungs-Anzeigers hinsichtlich einer „1”. Wenn der Laufanforderungs-Anzeiger nicht gleich „1” ist, leitet ein negatives Ergebnis des Tests 44 einen Test 46 ein, um festzustellen, ob der Brennstöff-AUS-Zeitgeber abgelaufen ist. Wenn der Test 46 negativ ist, kehrt das System zu Test 44 zurück. Bis zum Erreichen der Ablaufzeit des Brennstoff-AUS-Zeitgebers leitet bei Anzeige einer Startanforderung durch den Fahrzeug-Laufanforderungs-Anzeiger gleich „1”, ein positives Ergebnis des Tests 44 einen Schritt 49 ein, der den Brennstoff-AUS-Zeitgeber anhält. Die Laufzeit des Brennstoff-AUS-Zeitgebers gibt das Ausmaß an, in dem das Brennstoffsystem seine Abschaltprozedur durchgeführt hat. Die Laufzeit des Brennstoff-AUS-Zeitgebers wird dann verwendet, um den Brennstoff-AN-Ablaufzeit-Zeitgeber in Gang zu setzen. Die Einstellung für den Brennstoff-AN-Ablaufzeit-Zeitgeber ist eine Funktion des Ablesewerts des Brennstoff-AUS-Zeitgebers in einem Schritt 51. Die Funktion kann in Beziehung stehen zu der in dem Brennstoff-AUS-Zeitgeber festgestellten Zeit, kann aber andere Parameter wie die Umgebungstemperatur oder den Umgebungsdruck, die Zellenstapelanordnungs-Temperatur, die Standorthöhe, und so weiter umfassen.
Nach Schritt 51 kehrt die Prozedur zu dem Schritt 22 zurück, der befiehlt, dass die Anode und die Rückzirkulierungsleitung mit Brennstoff gefüllt werden. Der Befehl des Schritts 22 wird so modifiziert, dass anstelle der Verwendung der vollen Zeitdauer, die bei einer erstmaligen Inbetriebnahme erforderlich ist, eine geringere Zeitdauer für eine Schnell-Inbetriebnahme verwendet wird, wenn der Brennstoff-AUS-Zeitgeber auf eine geringere Zeitdauer eingestellt ist. Der Schritt 23 ist ein Testen hinsichtlich eines Brennstoff-AN-Zeitablaufs, der als eine Funktion des Brennstoff-AUS-Zeitgebers in dem Schritt 51 eingestellt wird. Als ein Ergebnis mag eine vollständige Brennstoffspülung nicht erforderlich sein, was zusätzliche Inbetriebnahmezeit spart.
In dem Fall, in dem die Prozedur von dem Schritt 51 zu dem Schritt 22 fortschreitet, wurde das Temperaturmanagementsystem nicht abgeschaltet, was zusätzliche Startzeit spart.
Wenn in dem Test 44 nicht eine Fahrzeug-Laufanforderung empfangen wird, indem der Anzeiger gleich „1” wird, bevor der Test 46 feststellt, dass der Brennstoff-AUS-Zeitgeber abgelaufen ist, veranlasst ein positives Ergebnis des Tests 46 einen Schritt 54, das Wärmemanagementsystem abzuschalten. Dies veranlasst die Rückkehr zu dem Brennstoffzellen-Standby-Modus 13, wo die Routine wartet, bis eine Fahrzeug-Anforderung an die Brennstoffzelle, zu laufen, angezeigt wird, indem der Anzeiger des Tests 14 auf eine „1” gesetzt wird.
Wenn in dem Moment, in dem der Schritt 54 ein Abschalten des Wärmemanagementsystems verlangt, eine Fahrzeug-Laufanforderung angezeigt wird, indem der Anzeiger des Tests 14 gleich einer „1” gesetzt wird, erfolgt eine sofortige Reaktion, so dass der Schritt 17 vor irgendeinem Zeitverlust bezüglich des Wärmemanagementsystems erreicht wird. Anders ausgedrückt, das Wärmemanagementsystem kann aus einem beliebigen Stadium direkt wieder in den Normalbetrieb eingesetzt werden und erfordert weniger Zeit in Abhängigkeit davon, wie schnell der Befehl zu seiner Abschaltung widerrufen wird durch einen Befehl zu seinem Anschalten. Daher spart dies ebenfalls Zeit.

Claims

Verfahren aufweisend: a) Halten eines Standby-Modus' (12), bis selektiv ein positiver Test (14) der Tatsache geliefert wird, dass ein Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebssystem, das von einem Brennstoffzellen-Stromerzeuger betrieben wird, gegenwärtig elektrische Brennstoffzellensystem-Energie benötigt; gekennzeichnet durch: b) nach dem Standby-Modus (12), Bringen des Brennstoffzellen-Stromerzeugers in einen Lastbereit-Modus (13), in dem der Stromerzeuger in der Lage ist, eine beliebige von dem Stromerzeuger angeforderte Last zwischen Nulllast und Maximallast bereitzustellen, wobei der Schritt (b) umfasst: (i) Anschalten des Brennstoffzellen-Temperaturmanagementsystems des Stromerzeugers, Schritt (17), (ii) Initialisieren eines Brennstoff-AN-Ablaufzeit-Zeitgeber-Schritts (19) auf einen Wert, der als eine Funktion des Stromerzeuger-Betriebszustands festgelegt wird, (iii) Füllen (22) der Anoden und der Anoden-Rückzirkulierungsleitung des Stromerzeugers mit Brennstoff bis der Brennstoff-AN-Ablaufzeit-Zeitgeber abläuft; c) nach dem Erreichen des Lastbereit-Modus (13), Bleiben in dem Lastbereit-Modus (13), bis selektiv ein positives Ergebnis des Fahrzeug-Lauftests (32), als ein Anzeichen für die Tatsache, dass das Fahrzeug zur Zeit keine elektrische Energie benötigt, geliefert wird; d) nach Schritt c), gleichzeitiges Einleiten des Einstellens eines Brennstoff-AUS-Ablaufzeit-Zeitgebers auf Null und Einleiten des Abschaltens des Brennstoffzellen-Brennstoffsystems des Stromerzeugers; und e) bei einem positiven Ergebnis des Fahrzeug-Lauftests (44) während der Zeitdauer vor der Ablaufzeit des Brennstoff-AUS-Zeitgebers, Durchführen des Schritts (49) des Anhaltens des Brennstoff-AUS-Zeitgebers und Einstellen des Brennstoff-AN-Zeitgebers (Schritt 51) als eine Funktion der Einstellung des Brennstoff-AUS-Zeitgebers; f) Zurückkehren zu dem Brennstoffzuführungsschritt (22), dann Durchführen des Tests (23); und g) Modifizieren des Befehls aus dem Brennstoffzuführungsschritt (22) als eine Funktion der Einstellung für Schritt (51).
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem gekennzeichnet durch: zwischen dem Brennstoff-AN-Ablaufzeit-Zeitgeber-Zeitablaufschritt (23) und dem Lastbereit-Modus (13), Starten eines Luftgebläses und Füllen der Kathoden des Stromerzeugers mit Luft, Schritt (25), und Schließen eines Hauptlastschalters, Schritt (28), um den Stromerzeuger an das Fahrzeug anzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem gekennzeichnet durch: zwischen Schritt c) und Schritt d), als Reaktion auf das Anzeichen, sofern vorhanden, Durchführen des Öffnens des Hauptlastschalters in Schritt (34), um den Stromerzeuger von dem Fahrzeug zu trennen, und Anschließen mindestens einer Spannungs-Begrenzungsvorrichtung an dem Brennstoffzellenstapel-Lastausgang des Stromerzeugers, und Rückzirkulieren von Kathodenabgas zu den Kathoden-Strömungsfeldeinlässen, und dann Abschalten des Luftgebläses in Schritt (37).
Verfahren nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass: der Schritt b) nach dem Ablaufen des Brennstoff-AN-Ablaufzeit-Zeitgebers, Schritt (23), umfasst iv) Starten eines Luftgebläses und Füllen der Kathoden des Stromerzeugers mit Luft, Schritt (25), und v) Schließen eines Hauptlastschalters, Schritt (28), um den Stromerzeuger an das Fahrzeug anzuschließen; und der Schritt d) umfasst in Schritt (34) Öffnen des Hauptlastschalters, um den Stromerzeuger von dem Fahrzeug zu trennen, und Anschließen mindestens einer Spannungs-Begrenzungsvorrichtung an den Brennstoffzellenstapel-Lastausgang des Stromerzeugers, und Durchführen, in Schritt (36), ein Rückzirkulieren von Kathodenabgas zu den Kathoden-Strömungsfeldeinlässen und, in Schritt (37), ein Abschalten des Luftgebläses.