DE-102016208224-B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Zufuhrleitung (10), die zur Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu einem Stapel konfiguriert ist; einen Gaskonzentrationssensor (20), der zum Erfassen von Verunreinigungen des Wasserstoffs und der Luft in dem der Zufuhrleitung (10) zugeführten Wasserstoff und in der Luft konfiguriert ist; ein in der Zufuhrleitung (10) angeordnetes Zufuhrventil (30) zum Regeln der Zufuhr des Wasserstoffs und der Luft; eine Auslassleitung (40), die zum Ausleiten des Wasserstoffs und der Luft aus dem Stapel konfiguriert ist; ein in der Auslassleitung (40) angeordnetes Auslassventil (50) zum Regeln des Ausleitens des Wasserstoffs und der Luft; eine Steuerung (60), die zum gemeinsamen Betrieb mit dem Gaskonzentrationssensor (20) zur Erkennung eingedrungener Verunreinigungen konfiguriert ist; und Auslassventile (50), die am vorderen und hinteren Ende des Stapels zum Entfernen des verunreinigten Brennstoffs als Reaktion auf die Erkennung eingedrungener Verunreinigungen angeordnet sind, wobei die Steuerung (60) ferner so konfiguriert ist, dass sie: bestimmt, ob die Stapelspannung aufgrund der Verunreinigungen des Wasserstoffs abfällt; das Zufuhrventil (30) und die Auslassventile (50) so steuert, dass Wasserstoff und Luft aus dem Stapel abgelassen werden und Wasserstoff und Luft in den Stapel zugeführt werden, wenn festgestellt wird, dass die Stapelspannung aufgrund der Verunreinigungen des Wasserstoffs abfällt; und eine Logik zum wiederholten Ein- und Ausschalten des Brennstoffzellensystems für vorbestimmte Zeiten ausführt.

Inventors

• Se Joon Im
• Jun Yeol Paek

Assignees

• HYUNDAI MOTOR COMPANY

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20160512

Priority Date

20151211

Claims (11)

1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Zufuhrleitung (10), die zur Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu einem Stapel konfiguriert ist; einen Gaskonzentrationssensor (20), der zum Erfassen von Verunreinigungen des Wasserstoffs und der Luft in dem der Zufuhrleitung (10) zugeführten Wasserstoff und in der Luft konfiguriert ist; ein in der Zufuhrleitung (10) angeordnetes Zufuhrventil (30) zum Regeln der Zufuhr des Wasserstoffs und der Luft; eine Auslassleitung (40), die zum Ausleiten des Wasserstoffs und der Luft aus dem Stapel konfiguriert ist; ein in der Auslassleitung (40) angeordnetes Auslassventil (50) zum Regeln des Ausleitens des Wasserstoffs und der Luft; eine Steuerung (60), die zum gemeinsamen Betrieb mit dem Gaskonzentrationssensor (20) zur Erkennung eingedrungener Verunreinigungen konfiguriert ist; und Auslassventile (50), die am vorderen und hinteren Ende des Stapels zum Entfernen des verunreinigten Brennstoffs als Reaktion auf die Erkennung eingedrungener Verunreinigungen angeordnet sind, wobei die Steuerung (60) ferner so konfiguriert ist, dass sie: bestimmt, ob die Stapelspannung aufgrund der Verunreinigungen des Wasserstoffs abfällt; das Zufuhrventil (30) und die Auslassventile (50) so steuert, dass Wasserstoff und Luft aus dem Stapel abgelassen werden und Wasserstoff und Luft in den Stapel zugeführt werden, wenn festgestellt wird, dass die Stapelspannung aufgrund der Verunreinigungen des Wasserstoffs abfällt; und eine Logik zum wiederholten Ein- und Ausschalten des Brennstoffzellensystems für vorbestimmte Zeiten ausführt.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei die Steuerung (60) enthält: einen Steuerteil (61), der zum Speichern einer Fahrbedingung einschließlich Temperatur, Feuchte und Druck während der Fahrt eines Fahrzeugs konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob die Fahrbedingung normal ist und um einen Grad der Normalität zu bestimmen; und einen Diagnoseteil (62), der zur Zusammenarbeit mit dem Steuerteil (61) und zur Bestimmung der Fahrbedingung und eines diagnostizierten Widerstandswertes konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob Verunreinigungen eingedrungen und um das Ausmaß der Verunreinigungen zu bestimmen.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 , wobei der Steuerteil (61) zur Wiederherstellung der Leistung des Stapels nach der Entfernung des Brennstoffs konfiguriert ist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , ferner aufweisend: ein Stapel-Einlasssperrventil (80), das zwischen der Zufuhrleitung (10) und dem Stapel zum Sperren des Einleitens des Wasserstoffs oder der Luft in den Stapel angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei: die Zufuhrleitung (10) enthält: eine Wasserstoff-Zufuhrleitung, die zur Zufuhr des Wasserstoffs und eine Luftzufuhrleitung, die zur Zufuhr von Luft konfiguriert ist; der Gaskonzentrationssensor (20) einen Wasserstoff-Gaskonzentrationssensor enthält, der zum Erfassen Verunreinigungen des Wasserstoffs konfiguriert ist, und einen Luft-Gaskonzentrationssensor, der zum Erfassen der Verunreinigungen der Luft konfiguriert ist, das Zufuhrventil (30) ein Wasserstoff-Zufuhrventil enthält, das zum Einregeln der Zufuhr von Wasserstoff konfiguriert ist, ein Luft-Zufuhrventil, das zum Einregeln der Zufuhr von Luft konfiguriert ist, die Auslassleitung (40) eine Wasserstoff-Auslassleitung enthält, die zum Ausleiten des Wasserstoffs konfiguriert ist, und das Auslassventil (50) ein Wasserstoff-Auslassventil enthält, das zum Regeln des Ausleitens des Wasserstoffs konfiguriert ist und ein Luft-Auslassventil, das zum Regeln des Ausleitens der Luft konfiguriert ist.
6. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, aufweisend: Messen der Stapelspannung durch die Steuerung (60) während der Fahrt des Brennstoffzellenfahrzeugs mittels eines Sensors, nachdem das Brennstoffzellenfahrzeug mit Wasserstoff befüllt worden ist; Bestimmen durch die Steuerung (60), ob die Stapelspannung niedriger ist als eine Referenzspannung; Bestimmen durch die Steuerung (60), ob die Reinheit des Wasserstoffs anomal ist, um eine Fahrbedingung zu bestimmen, wenn die Stapelspannung niedriger ist als die Referenzspannung; Bestimmen durch die Steuerung (60), ob die Fahrbedingung normal ist; Ausleiten, Entfernen und Nachfüllen des verunreinigten Brennstoffs, wenn die Fahrbedingung normal ist; Bestimmen durch die Steuerung (60), ob das Brennstoffzellenfahrzeug nochmals kurze Zeit gefahren werden muss; Ausführen einer Logik durch die Steuerung (60) durch Wiederholen von Starten Ein/Aus, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug nochmals kurze Zeit gefahren werden muss; Bestimmen durch die Steuerung (60), ob die Leistung des Stapels wiederhergestellt ist; und Bestimmen durch die Steuerung (60), dass die Leistung den Normalzustand erreicht, um die Logik zu beenden, wenn die Leistung wiederhergestellt ist.
7. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 , wobei die Fahrbedingung Temperatur, Druck, Zustand des Kühlmittels und Feuchte enthält.
8. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 , wobei dann, wenn die Stapelspannung höher ist als die Referenzspannung, die Reinheit des Wasserstoffs als normal bestimmt wird.
9. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 , wobei dann, wenn die Fahrbedingung anomal ist, auf Basis der Fahrbedingung bestimmt wird, ob sich die Leistung verschlechtert hat.
10. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 , wobei dann, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug nicht zusätzlich kurze Zeit gefahren werden muss, das Verfahren das Öffnen eines Luftsperrventils durch die Steuerung (60) auf Basis des Start-Aus des Brennstoffzellenfahrzeugs enthält.
11. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 , wobei dann, wenn die Leistung nicht wiederhergestellt ist, das Verfahren die Wiederholung einer zusätzlichen Wiederherstellungslogik durch die Steuerung (60) zur Ausführung einer zusätzlichen Kontrolle enthält.

Description

TECHNISCHES GEBIET Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben und insbesondere ein Brennstoffzellensystem zum Diagnostizieren, ob Verunreinigungen des Brennstoffzellenreaktionsgases wie Wasserstoff und Luft in eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs gelangt sind, und zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels, wenn die Verunreinigungen in die Brennstoffzelle des Fahrzeugs sind, und ein Verfahren zum Steuern desselben. HINTERGRUND Eine Brennstoffzelle ist ein System zur Erzeugung elektrischer Energie, bei dem die Energie einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff oder Wasserstoff in einem Material auf Kohlenwasserstoffbasis wie Methanol, Ethanol oder Erdgas und Sauerstoff in elektrische Energie gewandelt wird. Die Brennstoffzelle ist eine umweltfreundliche Energiequelle, die fossile Energie ersetzen kann, erzeugt Ausgangsleitungen in verschiedenen Bereichen durch eine Stapelkonfiguration, in der Zelleneinheiten gestapelt sind, und dient als kleine und mobile transportable Spannungsversorgung aufgrund der vier- bis zehnfachen Energiedichte einer kleinen Lithiumbatterie. Die Brennstoffzelle kann ferner in eine Phosphorsäuren-Brennstoffzelle, eine Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle, eine Festoxid-Brennstoffzelle, eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle und dgl. auf Basis des verwendeten Elektrolyten eingeteilt werden. Diese Brennstoffzellen arbeiten nach demselben Prinzip, aber es werden verschiedene Brennstofftypen, unterschiedliche Betriebstemperaturen, unterschiedliche Katalysatoren, unterschiedliche Elektrolyten und dgl. in diesen Brennstoffzellen verwendet. Gemäß der verwandten Technik können Verunreinigungen des Reaktionsgases der Brennstoffzellen wie Wasserstoff und Luft in ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs gelangen, während das Fahrzeug fährt. Insbesondere kann sich die Stapelleistung aufgrund der in das Brennstoffzellensystem gelangten Verunreinigungen verschlechtern. Aus der US 2003 / 0 157 383 A1, der DE 10 2014 224 611 A1 sowie der DE 10 2012 209 467 A1 sind Brennstoffzellensysteme bekannt, aufweisend eine Zufuhrleitung, die zur Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu einem Stapel konfiguriert ist; einen Gaskonzentrationssensor, der zum Erfassen von Verunreinigungen des Wasserstoffs und der Luft in dem der Zufuhrleitung zugeführten Wasserstoff und in der Luft konfiguriert ist; ein in der Zufuhrleitung angeordnetes Zufuhrventil zum Regeln der Zufuhr des Wasserstoffs und der Luft; eine Auslassleitung, die zum Ausleiten des Wasserstoffs und der Luft aus dem Stapel konfiguriert ist; ein in der Auslassleitung angeordnetes Auslassventil zum Regeln des Ausleitens des Wasserstoffs und der Luft; eine Steuerung, die zum gemeinsamen Betrieb mit dem Gaskonzentrationssensor zur Erkennung eingedrungener Verunreinigungen konfiguriert ist; und Auslassventile, die am vorderen und hinteren Ende des Stapels zum Entfernen des verunreinigten Brennstoffs als Reaktion auf die Erkennung eingedrungener Verunreinigungen angeordnet sind. ÜBERBLICK Es ist Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Brennstoffzellensystem zum Diagnostizieren, ob Verunreinigungen des Reaktionsgases der Brennstoffzelle wie Wasserstoff und Luft in eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs gelangt sind, und zur Wiederherstellung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, wenn die Verunreinigungen in die Brennstoffzelle des Fahrzeugs gelangt sind, und ein Verfahren zum Steuern desselben. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalend es Anspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Brennstoffzellensystem: eine Zufuhrleitung, die zur Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu einem Stapel konfiguriert ist; einen Gaskonzentrationssensor, der zum Erfassen oder Erkennen von Verunreinigungen im Wasserstoff und der Luft in dem der Zufuhrleitung zugeführten Wasserstoff und in der Luft konfiguriert ist; ein in der Zufuhrleitung angeordnetes Zufuhrventil, das die Zufuhr von Wasserstoff und Luft regelt; eine Auslassleitung, die zum Ausleiten des Wasserstoffs und der Luft aus dem Stapel konfiguriert ist; ein in der Auslassleitung angeordnetes Auslassventil, das das Ausleiten des Wasserstoffs und der Luft regelt; eine zusammen mit dem Gaskonzentrationssensor arbeitende Steuerung, die eingedrungene Verunreinigungen erkennt; und Auslassventile am vorderen und hinteren Ende des Stapels zum Entfernen des verunreinigten Brennstoffs als Reaktion auf die Erkennung eingedrungener Verunreinigungen. Die Steuerung ist ferner so konfiguriert ist, dass sie bestimmt, ob die Stapelspannung aufgrund der Verunreinigungen des Wasserstoffs abfällt; das Zufuhrventil und die Auslassventile so steuert, dass Wasserstoff und Luft au