DE102008047868A1

DE102008047868A1 - Steuersystem und -Verfahren zum Start eines Brennstoffzellenstapels mit Niedrigspannungsquelle

Info

Publication number: DE102008047868A1
Application number: DE200810047868
Authority: DE
Inventors: Abdullah B. Alp; Akbar Chowdhury; Kristian M. Whitehouse; Matthew K. Hortop; Matthew C. Kirklin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2008-09-18
Publication date: 2009-05-07
Also published as: US9005785B2; CN101399355B; CN101399355A; US20160181636A1; US20090081502A1

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das einen Brennstoffzellenstapel und einen Luftkompressor in Verbindung mit einem Kathodeneinlass, eine Wasserstoffquelle in Verbindung mit einem Anodeneinlass und eine Startbatterie aufweist, die derart ausgebildet ist, um den Luftkompressor mit Leistung zu beaufschlagen. Die Startbatterie ist eine Niederspannungsbatterie und/oder eine Hochspannungsbatterie. Ein Leistungsumwandlungsmodul steht in elektrischer Verbindung mit der Startbatterie und dem Luftkompressor. Das Leistungsumwandlungsmodul ist derart ausgebildet, um beim Start eine Spannung der Startbatterie nach Bedarf zu verstärken und den Luftkompressor mit Leistung zu beaufschlagen. Ein Controller steht in Verbindung mit dem Leistungsumwandlungsmodul und ist derart ausgebildet, um eine Luftkompressordrehzahl auf Grundlage einer verfügbaren elektrischen Energie einzustellen. Es ist auch ein Steuerverfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems beim Start vorgesehen, bei dem eine Anodenspülung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie von der Batterie geplant wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Hochfahr- bzw. Startsystem sowie ein Steuerverfahren (mit Steuerkette) zum Starten eines Brennstoffzellenstapels.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Brennstoffzelle ist als eine reine, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere ist die Brennstoffzelle als eine potenzielle Alternative für die herkömmliche Brennkraftmaschine, die in modernen Fahrzeugen verwendet wird, erkannt worden.
Ein Typ einer Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode weisen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin auf, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Lieferung von gasförmigen Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion fördern.
Einzelne Brennstoffzellen können gemeinsam in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um ein Fahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen. In einem Fahrzeugleistungssystem, das den Brennstoffzellenstapel verwendet, wird Wasserstoffgas an die Anoden von einer Wasserstoffspeicherquelle, wie einem druckbeaufschlagten Wasserstofftank, geliefert. Die Luft wird an die Kathoden durch eine Luftkompressoreinheit geliefert. In einem Nicht-Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Hybrid-Fahrzeug mit einer funktionsunfähigen Hochspannungsbatterie wird typischerweise eine Niederspannungsbatterie verwendet, um Fahrzeugkomponenten und die Luftkompressoreinheit vor einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit Leistung zu beaufschlagen. In einem Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug kann eine Hochspannungshybridbatterie, die derart ausgebildet ist, um elektrische Energie aus einem vorausgegangenen Fahrzeugbetrieb zu speichern, auch als eine Quelle für elektrische Energie vor einer Betriebsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels verwendet werden. Ein Hochfahren bzw. ein Start mit der Niederspannungsbatterie ist auch allgemein bei Brennstoffzellenfahrzeugen unter Gefrierbedingungen notwendig.
Beim Start des Brennstoffzellensystems wird Wasserstoffgas dazu verwendet, Luft, die sich während des Abschaltens angesammelt hat, aus den Anoden zu spülen. Die Spülung ist erwünschtermaßen schnell, um den bekannten Kohlenstoffabbau zu minimieren, der auftritt, wenn sich die Wasserstoff-Luft-Front über die Anoden bewegt. Während eines Hochfahrens bzw. einem Start wird Luft auch an einen Austrag eines Brennstoffzellenstapels umgeleitet, um den ausgetragenen reinen Wasserstoff zu verdünnen. Fahrzeugemissionsstandards erfordern allgemein, dass die ausgetragene Wasserstoffkonzentration kleiner als vier Volumenprozent (4 Vol.-%) ist. Jedoch sind aufgrund der inkonsistenten Bedingungen des Brennstoffzellensystems nach einer Abschaltperiode, einschließlich eines Batterieladezustandes (SOC) und einer variablen Menge an angesammelter Luft an den Anoden, bekannte Brennstoffzellensysteme nicht besonders effektiv bei einer Optimierung von Wasserstoffemissionen und einer Minimierung von Kohlenstoffkorrosion beim Start.
Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem und -verfahren, die einen effizienten Start bereitstellen, während Emissions- und Brennstoffzellenleistungsanforderungen beispielsweise unter Gefrierbedingungen nachgekommen wird. Erwünschtermaßen sehen das Brennstoffzellensystem und -verfahren einen robusten Systemstart mit minimaler Spannungsinstabilität vor und minimieren eine Stapeldegradation durch Optimierung der Zeitdauer der Wasserstoff-Luft-Front während des Starts.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind überraschend ein Brennstoffzellensystem und -verfahren, die einen Niederspannungsstart bereitstellen, während Emissions- und Brennstoffzellenleistungsanforderungen nachgekommen wird, einen robusten Systemstart mit minimaler Spannungsinstabilität bereitstellen und die Zeitdauer der Wasserstoff-Luft-Front während des Starts minimieren, entdeckt worden.
Bei einer Ausführungsform ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, einem Kathodeneinlass und einem Anodeneinlass. Ein Luftkompressor steht in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass. Eine Wasserstoffquelle steht in Fluidverbindung mit dem Anoden einlass. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Startbatterie in elektrischer Verbindung mit dem Luftkompressor. Ein Leistungsumwandlungsmodul steht in elektrischer Verbindung mit der Startbatterie und dem Luftkompressor. Das Leistungsumwandlungsmodul ist derart ausgebildet, um beim Start eine Spannung der Startbatterie selektiv zu verstärken, die dem Luftkompressor bereitgestellt wird. Ein Controller steht in elektrischer Verbindung mit dem Leistungsumwandlungsmodul und ist derart ausgebildet, um eine Luftkompressordrehzahl auf Grundlage einer verfügbaren elektrischen Energie einzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist auch ein Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems beim Start vorgesehen. Das Verfahren umfasst zuerst die Schritte, dass eine Startanforderung empfangen wird; und ein Leistungsumwandlungsmodul aktiviert wird, um die Spannung der Niederspannungsbatterie zu verstärken. Dann werden die verfügbare elektrische Energie von der verstärkten Niederspannungsbatterie und eine geschätzte Drehzahl des Luftkompressors auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie bestimmt. Der Luftkompressor wird gestartet und auf die geschätzte Drehzahl eingestellt. Eine Ist-Drehzahl des Luftkompressors wird gemessen und eine Anodenspülung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie geplant, wenn a) die Ist-Drehzahl größer als eine Soll-Drehzahl ist oder b) eine Kompressoranlaufzeit abgelaufen ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das bereitgestellte Verfahren die Schritte, dass die verfügbare elektrische Energie von a) der Niederspannungsbatterie mit einer Spannungsverstärkung, b) einer Hochspannungsbatterie mit einer Spannungsverstärkung und/oder c) der Hochspannungsbatterie ohne eine Spannungsverstärkung bestimmt wird. Die Startbatterie wird dann aus der Niederspannungsbatterie oder der Hoch spannungsbatterie in verstärkten oder nicht verstärkten Zuständen gewählt, die die größere verfügbare elektrische Energie besitzt.
ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik darstellt, die nur zwei Zellen zeigt;
2 ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems mit einer Niederspannungsbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
3 ein schematisches Schaubild des Brennstoffzellensystems von 2 ist, das ferner eine Hochspannungsbatterie aufweist;
4 ein schematisches Flussdiagramm ist, das ein Startverfahren ohne eine betriebsfähige Hochspannungsbatterie zeigt; und
5 ein schematisches Flussdiagramm ist, das ein Startverfahren mit einer betriebsfähigen Hochspannungsbatterie zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung bzw. den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei auch zu verstehen, dass entsprechende Bezugszeichen in allen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und somit nicht notwendig oder kritisch.
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von MEAs 4, 6, die voneinander durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 getrennt sind. Der Einfachheit halber ist in 1 nur ein zwei Zellen umfassender Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) veranschaulicht und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 10, 12 und einem Paar von unipolaren Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind durch ein Dichtungselement oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch von den Endplatten 14, 16 isoliert. Die unipolaren Endplatten 14, beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 und die unipolare Endplatte 16 weisen Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 auf. Die Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 verteilen Wasserstoffgas und Luft über eine Anode bzw. eine Kathode der MEAs 4, 6.
Nichtleitende Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor. Gaspermeable Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 grenzen an die Anoden und die Kathoden der MEAs 4, 6 an. Die Endplatten 14, 16 sind benachbart den Diffusionsmedien 34 bzw. 40 angeordnet, während die Bipolarplatte 8 benachbart dem Diffusionsmedium 36 an der Anodenseite der MEA 4 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist ferner benachbart dem Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite der MEA 6 angeordnet.
Die Bipolarplatte 8, die unipolaren Endplatten 14, 16 und die Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 enthalten jeweils eine Kathodenlieferöffnung 72 und eine Kathodenaustragsöffnung 74, eine Kühlmittellieferöffnung 75 und eine Kühlmittelaustragsöffnung 77 sowie eine Anodenlieferöffnung 76 als auch eine Anodenaustragsöffnung 78. Lieferverteiler und Austragsverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 werden durch eine Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 72, 74, 75, 77, 76, 78 in der Bipolarplatte 8, den unipolaren Endplatten 14, 16 und den Dichtungselementen 26, 28, 30, 32 geformt. Das Wasserstoffgas wird an einen Anodenlieferverteiler über eine Anodeneinlassleitung 80 geliefert. Die Luft wird an einen Kathodenlieferverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 über eine Kathodeneinlassleitung 82 geliefert. Es sind auch eine Anodenauslassleitung 84 und eine Kathodenauslassleitung 86 für einen Anodenaustragsverteiler bzw. einen Kathodenaustragsverteiler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 88 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittellieferverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 90 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragsverteiler vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 80, 82, 88 und Auslässe 84, 86, 90 in 1 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen ausgesucht werden können.
2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst den Brennstoffzellenstapel 2, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen besitzt. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist den Anodeneinlass 80, den Kathodeneinlass 82, den Anodenauslass 84 und den Kathodenauslass 86 auf, die jeweils in Fluidverbindung mit den jeweiligen Anoden und Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 stehen. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer elektrischen Last verbunden, wie einem elektrischen Antriebsmotor (nicht gezeigt) eines Nicht-Hybrid- oder Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeugs.
Das Brennstoffzellensystem 200 weist einen Luftkompressor 202 in Fluidverbindung mit dem Katodeneinlass 82 auf. Der Luftkompressor 202 ist derart ausgebildet, um Luft beispielsweise aus der umliegenden Atmosphäre aufzunehmen und die Luft an die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 zu liefern. Bei bestimmten Ausführungsformen ist eine Drehzahl des Luftkompressors 202 auf Grundlage der elektrischen Energie einstellbar, die verwendet wird, um den Luftkompressor 202 zu betreiben. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann ein besonders geeigneter Luftkompressor 202 eine maximale Betriebsdrehzahl von etwa 80.000 U/min besitzen. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die Drehzahl des Luftkornpressors 202 durch alternative geeignete Mittel, die in der Technik bekannt sind, eingestellt werden kann, um einen Soll-Durchfluss von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 2 bereitzustellen.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner ein Bypassventil 204, das zwischen dem Luftkompressor 202 und dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet ist. Das Bypassventil 204 ist derart ausgebildet, um gegebenenfalls eine Strömung der Luft von dem Luftkompressor 202 um den Brennstoffzellenstapel 2 herum oder an den Brennstoffzellenstapel 2 zu lenken.
Bei einer Ausführungsform lenkt das Bypassventil 204 die Luftströmung von dem Luftkompressor 202 an einen Austrag. Die Luft mischt sich mit restlichen Reaktanden und Produkten, die von dem Brennstoffzellenstapel 2 ausgetragen werden, und verdünnt diese.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Brennstoffzellensystem 200 eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit 206, wie es in der Technik bekannt ist. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die WVT-Einheit 206 in Fluidverbindung mit sowohl dem Luftkompressor 202 als auch dem Kathodeneinlass 82 des Brennstoffzellenstapels 2 steht. Die WVT-Einheit 206 ist derart ausgebildet, um die von dem Luftkompressor 202 bereitgestellte Luft auf einen Pegel zu befeuchten, der für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 erwünscht ist.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner eine Wasserstoffquelle 208, wie einen Hochdruckspeicherbehälter zum Speichern von komprimiertem Wasserstoffgas. Die Wasserstoffquelle 208 steht in Fluidverbindung mit dem Anodeneinlass 80 des Brennstoffzellenstapels 2 und ist derart ausgebildet, um Wasserstoff an die Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 zu liefern. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 2 ein Reglerventil 210 in Fluidverbindung mit der Wasserstoffquelle 208 und dem Brennstoffzellenstapel 2 aufweisen. Das Reglerventil 210 ist derart ausgebildet, um einen Durchfluss des Wasserstoffgases von der Wasserstoffquelle 208 zu steuern. Es sei angemerkt, dass die zeitliche Steuerung der Strömung des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 2 auch über das Reglerventil 210 geplant werden kann.
Das Brennstoffzellensystem 200 der Offenbarung besitzt eine Startbattterie, die derart ausgebildet ist, um Komponenten des Brennstoffzellensystems 200, wie den Luftkompressor 202, beim Start mit Leistung zu beauf schlagen. Bei einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform ist die Startbatterie eine Niederspannungsbatterie 212. Es sei angemerkt, dass bei einem Brennstoffzellensystem 200, das bei dem Betrieb eines Nicht-Hybrid-Fahrzeuges verwendet wird, die Niederspannungsbatterie die einzige Energiequelle sein kann, die verfügbar ist, um den Luftkompressor 202 so lange mit Leistung zu beaufschlagen, bis der Brennstoffzellenstapel 2 betriebsfähig ist. Nicht beschränkende Beispiele der Niederspannungsbatterie 212 umfassen eine 12-V-Batterie, eine 36-V-Batterie sowie eine 48-V-Batterie. Andere geeignete Niederspannungsbatterietypen und -spannungen können gegebenenfalls gewählt werden.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ferner ein Leistungsumwandlungsmodul (PCM) 214. Das PCM 214 verstärkt eine niedrige Spannung auf eine höhere Spannung, die beispielsweise von den Komponenten des Brennstoffzellensystems 200 während des Starts verwendet werden kann. Das PCM 214 steht in elektrischer Verbindung mit der Niederspannungsbatterie 212 und dem Luftkompressor 202. Im aktivierten Zustand ist das PCM 214 derart konfiguriert, um einen Spannungsausgang der Niederspannungsbatterie 212 zu verstärken, wodurch eine Spannung bereitgestellt wird, die ausreichend ist, um den Luftkompressor 202 zu betreiben und die Luftströmung an den Austrag des Brennstoffzellenstapels 2 zu liefern. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das PCM 214 ein bidirektionaler Wandler. Dem Fachmann sei angemerkt, dass gegebenenfalls geeignete Vorrichtungen, die derart ausgebildet sind, um den Spannungssausgang einer Batterie zu erhöhen oder zu verringern, verwendet werden können.
Ein Controller 216 kann ebenfalls in dem Brennstoffzellensystem 200 der Offenbarung verwendet werden. Der Controller 216 kann beispielsweise in elektrischer Verbindung mit dem Bypassventil 204 stehen und selektiv die Strömung der Luft lenken. Bei einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform steht der Controller 216 in elektrischer Verbindung mit dem PCM 214 und ist derart ausgebildet, um eine Drehzahl eines Luftkompressors 202 auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie einzustellen. Der Controller 216 kann auch derart ausgebildet sein, um das Reglerventil 210 beispielsweise durch Planung der zeitlichen Steuerung und des Durchflusses von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zu steuern. Wie hier weiter beschrieben ist, kann die Planung des Durchflusses auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie von dem PCM 214 erfolgen.
In Bezug auf den Controller 216 kann das Brennstoffzellensystem 200 eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, die derart ausgebildet sind, um einen Systemeingang bereitzustellen. Der Systemeingang von den Sensoren kann an den Controller 216 geliefert werden. Das Brennstoffzellensystem 200 weist zumindest einen Spannungssensor auf, der derart ausgebildet ist, um beispielsweise eine Spannung der Niederspannungsbatterie 212 zu messen. Das Brennstoffzellensystem 200 kann auch zumindest einen Sensor besitzen, der derart ausgebildet ist, um die verfügbare elektrische Energie der Startbatterie zu messen, wie der elektrischen Leistung oder dem Ladezustand (SOC) der Startbatterie. Es sei angemerkt, dass die verfügbare elektrische Energie der Startbatterie durch ein beliebiges herkömmliches Mittel, das in der Technik bekannt ist, bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die verfügbare elektrische Energie aus einer oder mehreren herkömmlichen elektrischen Messungen der Startbatterie berechnet oder geschätzt werden. Das Brennstoffzellensystem 200 besitzt ferner einen Drehzahlsensor 220. Der Drehzahlsensor 220 kann derart ausgebildet sein, um beispielsweise eine Ist-Drehzahl des Luftkompressors 202 im Betrieb zu messen. Die Ist-Drehzahl kann eine Umdrehungsfrequenz des Luftkompressors 202 sein.
Wie in 3 gezeigt ist, kann das Brennstoffzellensystem 200 der Offenbarung ferner eine Hochspannungsbatterie 300 aufweisen. Die Hochspannungsbatterie 300 steht in selektiver elektrischer Verbindung mit dem PCM 214 und dem Luftkompressor 202 und kann als die Startbatterie verwendet werden. Die Hochspannungsbatterie 300 besitzt, wenn sie ausreichend geladen ist, eine elektrische Energie, die ausreichend ist, um den Luftkompressor 202 während eines Starts des Brennstoffzellensystems 200 zu betreiben. Als nicht beschränkende Beispiele kann die Hochspannungsbatterie 300 eine Spannung von bis zu etwa 500 Volt besitzen. Bei einem bestimmten Beispiel besitzt die Hochspannungsbatterie eine Spannung von etwa 250 Volt bis etwa 400 Volt. Bei einer Ausführungsform ist die Hochspannungsbatterie 300 eine Hybridbatterie, die derart ausgebildet ist, um elektrische Energie, die von einem vorausgehenden Fahrzeugbetrieb, beispielsweise aus einem Bremsvorgang, erzeugt wird, zu speichern. Wie gezeigt ist, kann der zumindest eine Spannungssensor 218 derart ausgebildet sein, um eine Spannung der Hochspannungsbatterie 300 zu messen. Die gemessene Spannung der Hochspannungsbatterie 300 kann dabei an den Controller 216 geliefert werden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellenstapels 2 des Brennstoffzellensystems 200. Ein erstes in 4 dargestelltes Verfahren kann mit einem Fahrzeug verwendet werden, das nur Zugriff auf die Niederspannungsbatterie 212 als die Startbatterie beim Start besitzt. Ein derartiges Fahrzeug kann ein Nicht-Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug sein. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Empfangs einer Startanforderung 400 von einem Bediener. Dann wird das PCM 214 aktiviert 402. Die Aktivierung 402 des PCM 214 verstärkt die Spannung der Niederspannungsbatterie 212 durch Erhöhung der niedri gen Spannung auf eine höhere Spannung, die dazu verwendet werden kann, den Luftkompressor 202 mit Leistung zu beaufschlagen.
Nach dem Aktivierungsschritt 402 wird eine verfügbare elektrische Energie von der verstärkten Niederspannungsbatterie 212 bestimmt. Die verfügbare elektrische Energie kann beispielsweise durch direktes Messen der verfügbaren elektrischen Energie von der Startbatterie oder dem PCM 214 bestimmt werden. Die verfügbare elektrische Energie kann aus anderen elektrischen Messungen der Startbatterie oder des PCM 214 geschätzt werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die verfügbare elektrische Energie durch Messen der Spannung der Niederspannungsbatterie 212 und Berechnen der verfügbaren elektrischen Energie daraus bestimmt werden. Eine geschätzte Drehzahl des Luftkompressors 202 wird auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie gewählt 404. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die geschätzte Drehzahl aus einer Nachschlagetabelle bestimmt, die die verfügbare elektrische Energie mit der Drehzahl des Luftkompressors 202 korreliert. Es sei angemerkt, dass die geschätzte Drehzahl auch auf einer Berechnung basieren kann, die die geschätzte Drehzahl mit der verfügbaren elektrischen Energie in Verbindung bringt. Dann wird der Luftkompressor 202 gestartet, und der Luftkompressor 202 wird auf die geschätzte Drehzahl eingestellt. Bei einem Beispiel wird der Luftkompressor 202 auf etwa 40.000 U/min eingestellt. Dem Fachmann ist verständlich, dass auch andere geeignete geschätzte Drehzahlen verwendet werden können.
Das Verfahren der Offenbarung umfasst ferner einen Schritt 406 zum Messen einer Ist-Drehzahl des Luftkompressors 202 und zum Vergleichen der gemessenen Ist-Drehzahl mit einer Soll-Drehzahl. Wenn die Ist-Drehzahl größer als die Soll-Drehzahl ist, wird eine Anodenspülung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie geplant. Die Anodenspü lung wird in einem Planungsschritt 408 geplant. Die Soll-Drehzahl wird derart gewählt, um eine ausreichende Luftströmung an den Austrag des Brennstoffzellensystems 200 in einer zeitoptimierten Art und Weise bereitzustellen. Die Soll-Drehzahl kann die Differenz zwischen der geschätzten Drehzahl und einer vorgewählten "Deltadrehzahl" sein. Beispielsweise kann die Deltadrehzahl etwa 2000 U/min betragen und die geschätzte Drehzahl etwa 60.000 U/min betragen, was eine Soll-Drehzahl von etwa 58.000 U/min zur Folge hat. Bei einem anderen nicht beschränkenden Beispiel stellt die Soll-Drehzahl einen Prozentsatz der geschätzten Drehzahl dar. Somit kann die Anodenspülung ausgelöst werden, wenn die Ist-Drehzahl sich der Soll-Drehzahl annähert
Alternativ kann, wenn eine Zeitdauer zum Anlaufen des Luftkompressors 202 auf die geschätzte Drehzahl abgelaufen ist, der Anodenspülplanungsschritt 408 ausgeführt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Zeitdauer ausreichend sein, damit der Luftkompressor 202 eine geschätzte ausreichende Luftströmung an den Austrag bereitstellt. Die abgelaufene Zeitdauer kann insbesondere zum Auslösen des Anodenspülplanungsschrittes 408 verwendet werden, wenn die geschätzte Drehzahl für eine gewünschte Zeitdauer größer als die Ist-Drehzahl bleibt. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Zeitdauer, in der der Luftkompressor anläuft, etwa 5 Sekunden betragen. Bei einem anderen nicht beschränkenden Beispiel kann die abgelaufene Zeitdauer eine Schätzung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie von der Startbatterie und der geschätzten Drehzahl, auf die der Luftkompressor 202 anlaufen soll, sein. Gegebenenfalls können geeignete Zeitgrenzen, innerhalb denen der Planungsschritt 410 ausgeführt werden soll, gewählt werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst der Anodenspülplanungsschritt 408 zumindest einen der Schritte aus a) Einstellen einer Zeitdauer für die Anodenspülung und b) Einstellen eines Durchflusses für die Anodenspülung. Als nicht beschränkende Beispiele wird zumindest eines aus der geschätzten Drehzahl und dem Anodenspüldurchfluss aus einer Nachschlagetabelle berechnet. Die Nachschlagetabelle stellt eine Beziehung zu der verfügbaren elektrischen Energie zum Start bereit und ist derart ausgebildet, um eine ausgetragene Wasserstoffkonzentration aufrechtzuerhalten, die kleiner als eine Soll-Menge ist. Die bevorzugte Konzentration von ausgetragenem Wasserstoff ist kleiner als etwa vier Volumenprozent (4 Vol.-%), obwohl auch auf andere Konzentrationen abgezielt werden kann. Dem Anodenspülschritt folgen ein Schritt zur Bereitstellung einer gesteuerten Wasserstoffströmung zu den Anoden und ein Schritt zum Umlenken der Luftströmung zu den Kathoden, wobei der Brennstoffzellenstapel 2 in einen Betriebsmodus gebracht wird.
Wie in 5 gezeigt ist, kann das Verfahren der Offenbarung mit einem Fahrzeug verwendet werden, das beim Start Zugriff auf sowohl die Niederspannungsbatterie 212 als auch die Hochspannungsbatterie 300 besitzt. Ein derartiges Fahrzeug kann ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug sein. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren nach Empfang der Startanforderung 400 einen Schritt 500 zur Auswahl einer Energiequelle. Der Energiequellenauswahlschritt 500 umfasst das Bestimmen der verfügbaren elektrischen Energie von zumindest einer aus a) der Niederspannungsbatterie 212 mit einer Spannungsverstärkung, b) der Hochspannungsbatterie 300 mit einer Spannungsverstärkung und c) der Hochspannungsbatterie 300 ohne die Spannungsverstärkung.
Bei dem Verfahren der Offenbarung wird eine Startbatterie, die beim Startvorgang des Brennstoffzellenstapels 2 besonders geeignet ist, aus der stärksten Energiequelle gewählt. Als ein nicht beschränkendes Beispiel wird die Niederspannungsbatterie 212 gewählt, wenn die verfügbare elekt rische Energie von der Niederspannungsbatterie 212 größer als die verfügbare elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 300 ist. Bei einem anderen Beispiel wird die Hochspannungsbatterie 300 als die Startbatterie gewählt, wenn die verfügbare elektrische Energie von der Niederspannungsbatterie kleiner als die verfügbare elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 300 ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Hochspannungsbatterie 300 ohne die Spannungsverstärkung gewählt, wenn die verfügbare elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie 300 innerhalb eines Soll-Startenergiebereiches liegt. Beispielsweise kann der Soll-Startenergiebereich eine Leistung von größer als etwa 1,5 kW aufweisen. Bei einem bestimmten Beispiel umfasst der Soll-Startenergiebereich eine Leistung von größer als etwa 1,8 kW. Bei einem besonders veranschaulichenden Beispiel umfasst der Soll-Startenergiebereich eine Leistung von größer als etwa 2,0 kW. Gegebenenfalls kann ein geeigneter Startenergiebereich, der derart ausgebildet ist, um die Startbatterie zu wählen, ausgesucht werden.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die gewählte Startbatterie zwischen der Niederspannungsbatterie 212 und der Hochspannungsbatterie 300 wechseln. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann, wenn die Hochspannungsbatterie 300 anfänglich als die Startbatterie gewählt ist, jedoch der SOC der Hochspannungsbatterie 300 während des Startvorgangs unter den Sollenergiebereich fällt, das Brennstoffzellensystem 200 zu der Niederspannungsbatterie 212 schalten, um den Startvorgang zu vervollständigen. Die Verwendung der stärksten Energiequelle über den Startvorgang hinweg wird hierdurch erleichtert.
Es sei angemerkt, dass die Verwendung der verfügbaren elektrischen Energie bei der Auswahl der Startbatterie bei Fahrzeugen, die eine Hoch spannungsbatterie 300, die eine Hybridbatterie ist, verwenden, besonders nützlich sein kann. Wenn beispielsweise der Ladezustand (SOC) der Hybridbatterie ausreichend ist, beaufschlagt die Hybridbatterie den Luftkompressor 202 direkt während des Startvorgangs. Jedoch kann die Niederspannungsbatterie 212 verwendet werden, um den Brennstoffzellenstapel 2 zu starten bzw. in Betrieb zu nehmen, wenn der SOC der Hybridbatterie nicht ausreichend ist. Alternativ dazu kann das PCM 214 verwendet werden, um die Spannung der Hybridbatterie mit niedrigem SOC zu verstärken, wenn die Hybridbatterie die elektrische Energie innerhalb des Soll-Energiebereiches aufweist und eine größere elektrische Energie als die Niederspannungsbatterie 212 bereitstellen würde. Somit erleichtert das vorliegende Verfahren die Verwendung der stärksten Energiequelle zum Start des Brennstoffzellenstapels 2. Das vorliegende Verfahren stellt auch eine Systemredundanz beim Brennstoffzellenstart bereit, wobei einem Startfehler aufgrund eines unzureichenden Batterie-SOC oder einer Betriebsunfähigkeit von einer oder mehreren Fahrzeugbatterien entgegengewirkt wird.
Dem Fachmann sei angemerkt, dass das Verfahren der Erfindung ein "Steuer"-Verfahren bzw. Verfahren mit "Steuerkette" im Gegensatz zu einem "Regel"-Verfahren bzw. Verfahren mit "geschlossenem Regelkreis" ist, bei dem eine Systemrückkopplung verwendet wird, um Anodenspülbedingungen zu bestimmen. Die Anodenspülung bei dem Steuerverfahren wird in Ansprechen auf die anfängliche Bestimmung der verfügbaren elektrischen Energie von der Niederspannungsbatterie 212 und/oder der Hochspannungsbatterie 300 geplant. Die Bestimmung der verfügbaren elektrischen Energie zum Start des Brennstoffzellenstapels 2 ermöglicht eine Schätzung sowohl der Drehzahl des Luftkompressors 202 als auch des resultierenden Durchflusses von Luft, der an den Austrag des Brennstoffzellensystems 200 geliefert wird. Auf Grundlage des geschätzten Luft durchflusses zu dem Austrag kann die Anodenspülung demgemäß geplant werden, so dass die Wasserstoffkonzentration in dem Austrag den gewünschten Pegel nicht überschreitet.
Die Verwendung der stärksten Energiequelle während eines Hochfahrens bzw. eines Starts des Brennstoffzellenstapels 2 wirkt einer Kohlenstoffkorrosion entgegen, indem die Rate optimiert wird, mit der Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt werden kann. Es sei auch zu verstehen, dass die geschätzte Kompressordrehzahl und das Planen der Anodenspülung derart ausgebildet sind, um die ausreichende Luftströmung zu dem Austrag bereitzustellen. Die ausreichende Luftströmung zu dem Austrag wirkt unerwünschten Pegeln von Wasserstoffemissionen entgegen, wie Pegeln, die beispielsweise größer als etwa vier (4) Prozent sind. Somit ist überraschend herausgefunden worden, dass eine Verwendung des Steuersystems und -verfahrens der Offenbarung einer Degradation des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirkt und Fahrzeugemissionen innerhalb gewünschter Grenzen steuert. Insbesondere während der Anodenspülung beim Start können Emissionen dadurch gesteuert werden, dass bestimmt wird, wie viel und wann Wasserstoff dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt werden soll.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der in den folgenden angefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und mit einem Anodeneinlass und einem Kathodeneinlass; einen Luftkompressor in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass; eine Wasserstoffquelle in Fluidverbindung mit dem Anodeneinlass; eine Startbatterie in elektrischer Verbindung mit dem Luftkompressor; ein Leistungsumwandlungsmodul in elektrischer Verbindung mit der Startbatterie und dem Luftkompressor, wobei das Leistungsumwandlungsmodul derart ausgebildet ist, um eine Spannung der Startbatterie, die an den Luftkompressor geliefert wird, selektiv zu verstärken; und einen Controller in elektrischer Verbindung mit dem Leistungsumwandlungsmodul, der derart ausgebildet ist, um eine Luftkompressordrehzahl auf Grundlage einer an dem Kompressor verfügbaren elektrischen Energie einzustellen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Startbatterie eine Niederspannungsbatterie und/oder eine Hochspannungsbatterie aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Hochspannungsbatterie eine Hybridbatterte ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Spannungssensor, der derart ausgebildet ist, um eine Spannung der Startbatterie zu messen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Bypassventil, das zwischen dem Luftkompressor und dem Kathodeneinlass angeordnet ist, wobei das Bypassventil derart ausgebildet ist, um eine Luftströmung selektiv um den Brennstoffzellenstapel zu einem Austrag umzulenken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Reglerventil, das zwischen der Wasserstoffquelle und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, wobei das Reglerventil derart ausgebildet ist, um eine Anodenspülung selektiv zu dem Brennstoffzellenstapel zu liefern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit zumindest einem Drehzahlsensor, der derart ausgebildet ist, um eine Umdrehungsfrequenz des Luftkompressors zu messen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller derart ausgebildet ist, um eine Anodenspülung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie in der Startbatterie zu planen.
Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellenstapels mit einer Niederspannungsbatterie, mit den Schritten: Empfangen einer Startanforderung; Bereitstellen eines Leistungsumwandlungsmoduls, um die Spannung der Niederspannungsbatterie zu verstärken; Bestimmen einer verfügbaren elektrischen Energie von der Niederspannungsbatterie; Bestimmen einer geschätzten Drehzahl des Luftkompressors auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie; Starten eines Luftkompressors; Messen einer Ist-Drehzahl des Luftkompressors; und Planen einer Anodenspülung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie, wenn a) die Ist-Drehzahl größer als eine Soll-Drehzahl ist oder b) eine Kompressoranlaufzeit abgelaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem Schritt, dass Luft von dem Luftkompressor um den Brennstoffzellenstapel zu einem Austrag umgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Bestimmen der verfügbaren elektrischen Energie umfasst, dass die verfügbare elektrische Energie aus einer gemessenen Spannung der Niederspannungsbatterie berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Soll-Drehzahl aus der geschätzten Drehzahl berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Soll-Drehzahl die geschätzte Drehzahl minus einer Deltadrehzahl ist
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Soll-Drehzahl ein Prozentsatz der geschätzten Drehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt zum Planen der Anodenspülung umfasst: a) Einstellen einer Zeitdauer für die Anodenspülung; und/oder b) Einstellen eines Durchflusses für die Anodenspülung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Anodenspüldurchfluss aus einer Nachschlagetabelle auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Anodenspüldurchfluss optimiert wird, um eine ausgetragene Wasserstoffkonzentration von weniger als etwa vier Volumenprozent beizubehalten.
Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellenstapels mit einer Niederspannungsbatterie oder einer Hochspannungsbatterie, mit den Schritten: Empfangen einer Startanforderung; Bestimmen einer verfügbaren elektrischen Energie aus a) der Niederspannungsbatterie mit einer Spannungsverstärkung, b) der Hochspannungsbatterie mit einer Spannungsverstärkung und/oder c) der Hochspannungsbatterie ohne eine Spannungsverstärkung; Auswählen einer Startbatterie aus der Niederspannungsbatterie oder der Hochspannungsbatterie; Bereitstellen eines Leistungsumwandlungsmoduls, um die Spannung der Startbatterie zu verstärken, wenn die verfügbare elektrische Energie geringer als ein Startenergiebereich ist; Bestimmen einer geschätzten Drehzahl des Luftkompressors auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie; Starten eines Luftkompressors, wobei der Luftkompressor auf die geschätzte Drehzahl eingestellt wird; Messen einer Ist-Drehzahl des Luftkompressors; und Planen einer Anodenspülung auf Grundlage der verfügbaren elektrischen Energie, wenn a) die Ist-Drehzahl größer als eine Soll-Drehzahl ist oder b) eine Kompressoranlaufzeit abgelaufen ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Startbatterie gewählt wird aus: a) der Niederspannungsbatterie, wenn die verfügbare elektrische Energie von der Niederspannungsbatterie größer als die verfügbare elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie ist; b) der Hochspannungsbatterie, wenn die verfügbare elektrische Energie von der Niederspannungsbatterie geringer als die verfügbare elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie ist; und c) der Hochspannungsbatterie ohne die Spannungsverstärkung, wenn die verfügbare elektrische Energie von der Hochspannungsbatterie ohne die Spannungsverstärkung innerhalb eines gewünschten Startenergiebereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Startenergiebereich eine Leistung von größer als etwa 1,5 kW ist.