DE102014223643A1 - Verfahren zum Steuern eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems wird bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Diagnostizieren Wassermangelzustandes in einem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage einer Herabsetzung der Kühlleistung und einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels und ein Bestimmen eines Diagnoselevels des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage des diagnostizierten Wassermangelzustandes des Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus wird ein regenerativer Betrieb durch Auswählen eines regenerativen Betriebsmodus, der dem bestimmten Diagnoselevel entspricht, durchgeführt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein Verfahren zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellensystems, das verschiedene regenerative Arbeitsprozesse gemäß den jeweiligen Zuständen eines Brennstoffzellenstapels durchführt.
  • HINTERGRUND
  • Ein Brennstoffzellensystem wird für ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV), das eine Art eines umweltfreundlichen Fahrzeugs darstellt, verwendet. Das Brennstoffzellensystem umfasst typischerweise: einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgasen erzeugt; eine Wasserstoffzufuhrvorrichtung, die als Brennstoff verwendetes Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel zuführt; eine Luftzufuhrvorrichtung, die Luft mit Sauerstoff, der als ein Oxidationsmittel in der elektrochemischen Reaktion verwendet wird; zuführt; und ein Wärme-und-Wasser-Managementsystem, das die optimale Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels aufrechterhält, indem Wärme von der elektrochemischen Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, und ein Wassermanagement durchführt.
  • Das Brennstoffzellensystem wird mit Wasserstoffgas und Luft von einer externen Quelle versorgt und eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff findet in dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems statt. Während der elektrochemischen Reaktion wird Wasser von der elektrochemischen Reaktion erzeugt und das Volumen von Wasser fluktuiert, wenn sich das Wasser in Wasserdampf, eine gesättigte Flüssigkeit oder Eis in Abhängigkeit von Echtzeit-Betriebsbedingungen, wie Temperatur und Druck verändert. Mit anderen Worten kann eine Wasserdurchflussmenge verändert werden. Darüber hinaus kann die fluktuierende Wassermenge auch den Kanal in einem Separator, eine Gasdiffusionsschicht, eine Katalysatorschicht und Gase und Elektronen, wenn Wasser durch eine Elektrolytmembran wandert, beeinflussen. Die Fluktuationen des Wasservolumens können zu einem Überflutungszustand, wo Wasser in dem Brennstoffzellenstapel überläuft, oder einem dehydrierten Zustand, wo das Wasser zum Hydratisieren des Brennstoffzellenstapels nicht ausreicht, führen. Insbesondere, um eine Dehydration zu verhindern, ist es notwendig, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel Hochtemperatur-Betriebsbedingungen ausgesetzt wird, und somit kann eine ausreichende Kühlung erforderlich sein.
  • Wenn die maximale Wärmeableitungsrate des Brennstoffzellensystems aufgrund von Umweltfaktoren, wie beispielsweise eine im Wesentlichen hohe Außentemperatur, eines Bergauffahrzustandes eines Fahrzeugs oder anderer Faktoren, wie beispielsweise das Versagen von Kühlkomponenten, wie beispielsweise eine Kühlwasserpumpe, ein Kühlgebläse, ein Thermostat und dergleichen verhindert wird, wird der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels reduziert, um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels in der Maximalbegrenzung zu halten.
  • Im Stand der Technik stellt eine herkömmliche Technologie ein Verfahren zum Einstellen der Temperatur eines Brennstoffzellensystems bereit. Zum Beispiel steuert das Verfahren eine Wasserpumpe und einen Kühlerlüfter, um eine Temperaturdifferenz in einem Einlass und einem Auslass eines Brennstoffzellenstapels auf einen bestimmten Temperaturbereich unter Verwendung einer Temperaturverteilungs-Erfassungseinheit und einer Lastzustands-Erfassungseinheit zu verringern.
  • In einem weiteren Beispiel stellt eine herkömmliche Technologie ein Steuerverfahren bereit, das umfasst: Segmentieren eines Temperaturbereichs von Temperaturen von Kühlwasser in einem Auslass eines Brennstoffzellenstapels in eine Mehrzahl von Klassen; Einstellen/Setzen einer Solldrehzahl für jede Klasse; Durchführen einer Proportional-Integral-(PI)Regelung mit Bezug auf Drehzahlen einer Kühlwasserpumpe und eines Kühlerlüfters auf der Grundlage einer erfassten Temperatur von Kühlwasser in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels, so dass die Temperatur von Kühlwasser in dem Auslass die Solltemperatur erreicht; Durchführen einer Optimalwertsteuerung auf der Grundlage eines Wärmewerts des Brennstoffzellenstapels; und Einstellen der Drehzahlen der Kühlwasserpumpe und des Kühlerlüfters unter Verwendung eines Maximalwerts unter den in der PI-Regelung und der Optimalwertsteuerung verwendeten Werten.
  • Das Vorstehende ist lediglich dazu bestimmt, das Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Offenbarung zu fördern, und soll nicht heißen, dass die vorliegende Offenbarung innerhalb des Bereichs des Standes der Technik liegt, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung technische Lösungen für die oben erwähnten technischen Schwierigkeiten im Stand der Technik bereit. In einer Ausgestaltung wird ein Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Verfahren kann eine Verschlechterung eines Brennstoffzellenstapels durch Vorhersagen/Vorausberechnen einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels verhindern und den Brennstoffzellenstapel regenerieren, wenn sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtert hat.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems umfassen: Diagnostizieren eines Wassermangelzustandes in einem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage einer Herabsetzung der Kühlleistung und einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels; Bestimmen eines Diagnoselevels (Diagnosestufe) des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage des bestimmten Wassermangelzustandes des Brennstoffzellenstapels; und Durchführen eines regenerativen Betriebs durch Auswählen eines der regenerativen Betriebsmodi. Insbesondere kann der ausgewählte regenerative Betriebsmodus gemäß dem bestimmten Diagnoselevel bestimmt werden.
  • In dem Diagnostizieren des Brennstoffzellensystems kann ein erster Zustand als Diagnoselevel 1 bestimmt werden, wenn sich das Brennstoffzellensystem in dem ersten Zustand befindet, in dem ein Wassermangel aufgrund einer Herabsetzung der Kühlleistung auftreten kann. Der erste Zustand kann ebenfalls einen Zustand umfassen, in dem ein Wassermangel in dem Brennstoffzellenstapel aufgrund eines Fehlers in einem Kühlsystem vorhergesagt wird. Darüber hinaus kann der erste Zustand ein Zustand sein, in dem eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems ungefähr gleich oder größer als eine vorgegebene Referenztemperatur ist und in dem ein Fehler des Kühlsystems ungefähr für eine vorgegebene Zeitdauer oder länger andauert.
  • Außerdem kann der erste Zustand einen Zustand umfassen, in dem ein Wassermangel in dem Brennstoffzellenstapel aufgrund einer Erhöhung oder Verringerung der Temperatur oder eines Luftdurchsatzes eines Abzugs auftreten kann. Ferner kann der erste Zustand ein Zustand sein, in dem zumindest ein Faktor unter einer Fahrgeschwindigkeit, einem Bergauffahrwinkel und einer Außentemperatur eines Brennstoffzellenfahrzeugs kontinuierlich größer oder kleiner als sein vorgegebener Referenzwert für eine vorbestimmte Zeitdauer ist.
  • Der erste Zustand kann auch ein Zustand sein, in dem die Fahrgeschwindigkeit kontinuierlich weniger als eine erste Referenzfahrgeschwindigkeit für die vorbestimmte Zeitdauer betragen kann oder der Bergauffahrwinkel kontinuierlich größer als ein erster Referenzbergauffahrwinkel für die vorbestimmte Zeitdauer sein kann oder die Außentemperatur kontinuierlich größer als eine erste Referenzaußentemperatur für die vorbestimmte Zeitdauer sein kann. Der erste Zustand kann bestimmt werden, wenn ein Wert, der unter Verwendung eines Referenzstromes des Brennstoffzellenstapels und eines gemessenen Stromes des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, größer als ein erster Referenzwert ist. Der Referenzstrom kann gemäß einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels und dem gemessenen Strom, der ein von dem Brennstoffzellenstapel tatsächlich abgegebener Strom sein kann, erhalten werden.
  • Insbesondere kann der Referenzstrom mit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels zunehmen. Der erste Zustand kann auf der Grundlage einer Änderung der Menge von verbleibendem Wasser auf einer Kathodenseite bestimmt werden. Der Betrag der Änderung kann unter Verwendung eines geschätzten Werts der relativen Feuchtigkeit an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels berechnet werden. Der geschätzte Wert der relativen Feuchtigkeit an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels kann auf der Grundlage von Temperaturen in einem Einlass und einem Auslass an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, eines Luftdurchsatzes in einem Einlass des Brennstoffzellenstapels und eines Erzeugungsstromes, der von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, berechnet werden.
  • Die Änderung der Menge von verbleibendem Wasser kann auch jeweils unter Verwendung von Durchflussmengen/Durchsätzen von Wasserdampf in einem Auslass an der Kathodenseite berechnet werden, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite der geschätzte Wert ist und wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite innerhalb eines Bereichs von ungefähr 90% bis ungefähr 110% liegt. Die Durchflussmenge von Wasserdampf in dem Auslass an der Kathodenseite kann unter Verwendung eines Wasserdampfdrucks in dem Auslass an der Kathodenseite, eines Luftdrucks in dem Auslass an der Kathodenseite, der von einem Luftdurchsatz in einem Einlass des Brennstoffzellenstapels abhängt, und des Luftdurchsatzes in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels berechnet werden.
  • Die Bestimmung der Diagnoselevel des Brennstoffzellensystems kann ein Bestimmen eines zweiten Zustandes als Diagnoselevel 2 umfassen. In dem zweiten Zustand kann ein Wärmewert des Brennstoffzellenstapels aufgrund einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels zunehmen und die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels kann durch einen Wassermangel verursacht werden. Die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels kann unter Verwendung einer Spannungs-Strom-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels oder eines Impedanz- oder Stromunterbrechungsverfahrens bestimmt werden. Ferner kann in dem Durchführen des regenerativen Betriebs der regenerative Betriebsmodus umfassen: einen ersten regenerative Betriebsmodus zum Verringern der Betriebsgrenztemperatur des Brennstoffzellenstapels; einen zweiten regenerative Betriebsmodus zum Erhöhen eines Luftdrucks an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels oder Verringern eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft (stoichiometric ratio SR); und einen dritten regenerative Betriebsmodus zum Verringern eines Wasserstoffgasdrucks an einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels oder Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff.
  • In dem Durchführen des regenerativen Betriebs, wenn Diagnoselevel 1 bestimmt wird, kann der regenerative Betrieb durchgeführt werden, während eine Intensität des regenerativen Betriebs in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus geändert wird. In dem Durchführen des regenerativen Betriebsmodus, wenn Diagnoselevel 2 bestimmt wird, kann der regenerative Betrieb durch Erhöhen der Intensität des regenerativen Betriebs auf einen zulässigen Maximalwert in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus durchgeführt werden.
  • Wenn der regenerative Betrieb in dem ersten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern der Betriebsgrenztemperatur des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird, kann die Betriebsgrenztemperatur gemäß dem bestimmten Diagnoselevel geändert werden. Wenn der regenerative Betrieb in dem zweiten regenerativen Betriebsmodus zum Erhöhen des Luftdrucks an der Kathodenseite oder Verringern des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft durchgeführt wird, kann ein erhöhter Betrag des Luftdrucks an der Kathodenseite oder ein verringerter Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft gemäß dem bestimmten Diagnoselevel geändert werden.
  • Basierend auf einem vorgegebenen Luftauslass-Ventilöffnungs-Kennfeld in Bezug auf einen Luftstrom oder eine Leistung einer Brennstoffzelle kann gemäß dem bestimmten Diagnoselevel ein Öffnen eines Luftauslassventils zunehmen oder ein variabler Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft kann verringert werden. Wenn der regenerative Betrieb in dem dritten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern eines Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels oder Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff durchgeführt wird, kann ein verringerter Betrag des Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite oder ein erhöhter Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff gemäß dem bestimmten Diagnoselevel geändert werden.
  • Darüber hinaus, basierend auf einem vorgegebenen Wasserstoffgas-Solldruck-Kennfeld in Bezug auf den Luftstrom oder den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, kann gemäß dem bestimmten Diagnoselevel der Wasserstoffgas-Solldruckwert verringert werden oder kann der erhöhte Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff geändert werden. Wenn Diagnoselevel 1 bestimmt wird, kann der regenerative Betrieb durchgeführt werden, um gemäß dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus eine Betriebsgrenztemperatur zu verringern, um den Luftdruck an der Kathodenseite zu erhöhen oder um einen variablen Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu verringern.
  • Wenn Diagnoselevel 2 bestimmt wird, kann der regenerative Betrieb durchgeführt werden, um die Betriebsgrenztemperatur auf eine vorgegebene untere Grenztemperatur zu verringern, um den Luftdruck an der Kathodenseite auf einen vorgegebenen oberen Grenzluftdruck zu erhöhen, um das stöchiometrische Verhältnisses von Luft auf ein unteres Grenzverhältnis zu verringern, um den Wasserstoffgasdruck an der Anodenseite auf einen unteren Grenzwasserstoffgasdruck zu verringern oder um das stöchiometrische Verhältnisses von Wasserstoff auf ein oberes Verhältnis zu erhöhen, je nachdem, welcher regenerative Betriebsmodus ausgewählt wird. In dem Durchführen des regenerativen Betriebs kann der regenerative Betrieb durchgeführt werden, während die Anzahl von ausgewählten regenerativen Betriebsmodi gemäß dem vorgegebenen Diagnoselevel geändert wird.
  • Gemäß einem beispielhaften Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems kann eine Dehydration des Brennstoffzellenstapels verhindert werden und die Haltbarkeit einer Brennstoffzelle kann verbessert werden, indem ein regenerativer Betrieb durchgeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel dehydriert ist. Darüber hinaus kann eine Herabsetzung der Leistung des Brennstoffzellenstapels aufgrund von in dem Brennstoffzellenstapel auftretenden Fehlern oder von spezifischen Betriebsmustern verhindert werden, wodurch eine ursprüngliche Betriebsleistung des Brennstoffzellenstapels aufrechterhalten wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und weiteren Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Figuren zeigen/beschreiben:
  • 1 eine beispielhafte Konfiguration eines Leistungsnetzes eines beispielhaften Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Tabelle mit beispielhaften Diagnoselevels, die auf der Grundlage von Schweregraden des Wassermangels klassifiziert sind und in beispielhaften Verfahren zum Steuern des Betriebs eines beispielhaften Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
  • 3 ein beispielhaftes Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern des Betriebs eines beispielhaften Brennstoffzellensystems auf der Grundlage einer Herabsetzung der Kühlleistung und eines Auftretens eines Wassermangels, wie in 2 beschrieben, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 4A und 4B beispielhafte Graphen in beispielhaften Verfahren zum Bestimmen auf der Grundlage von Fall 3, wie in 2 beschrieben, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ein beispielhaftes Schätzmodell der relativen Feuchtigkeit und eine variable Steuerung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft auf der Grundlage des Modells, das in einem weiteren beispielhaften Verfahren zum Bestimmen auf der Grundlage von Fall 3, wie in 2 beschrieben, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
  • 6A bis 6C beispielhafte Verfahren zum Steuern des Betriebs eines beispielhaften Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 einen beispielhaften Graphen von einem beispielhaften regenerativen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 einen weiteren regenerativen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 9 bis 13 beispielhafte Graphen von Verfahren zum Einstellen eines Luftdrucks und eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft an der Kathode, wie in 8 dargestellt;
  • 14 auch einen beispielhaften Graphen von einem regenerativen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 15A bis 15C beispielhafte Graphen, die Änderungen der Intensität von beispielhaften regenerativen Betrieben gemäß den Betriebsbedingungen in beispielhaften Verfahren zum Steuern des Betriebs von beispielhaften Brennstoffzellensystemen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Spezifische strukturelle und funktionelle Beschreibungen von hierin offenbarten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind nur zur Veranschaulichung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die vorliegende Erfindung kann verschieden Weise ausgeführt werden, ohne von der Lehre und den signifikanten Eigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demzufolge sind die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nur für veranschaulichende Zwecke offenbart und sollten nicht derart ausgelegt werden, dass sie die vorliegende Erfindung einschränken.
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass eine Mehrzahl von Einheiten verwendet werden, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
  • Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei bestimmte Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden, da die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Art und Weise in verschiedenen Formen modifiziert werden kann. Während die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen derselben beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, um die Erfindung auf jene Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die Ausführungsbeispiele abzudecken, sondern ebenfalls verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente.
  • Es versteht sich, dass, obwohl die Begriffe ”erste”, ”zweite”, etc. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden lediglich verwendet, um ein Element von einem weiteren Element zu unterscheiden. Zum Beispiel könnte ein nachfolgend erläutertes erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In ähnlicher Weise könnte auch das zweite Element als das erste Element bezeichnet werden.
  • Es versteht sich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”gekoppelt” oder ”verbunden” ist, es mit dem anderen Element direkt gekoppelt oder verbunden sein kann oder dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu versteht es sich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”direkt gekoppelt” oder ”direkt verbunden” ist, keine Zwischenelemente vorhanden sind. Andere Ausdrücke, die die Beziehung zwischen Elementen erläutern, wie beispielsweise ”zwischen”, ”direkt zwischen”, ”benachbart/neben” oder ”direkt benachbart/neben” sollten in der gleichen Art und Weise ausgelegt werden.
  • Die hierin verwendete Terminologie ist nur zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht als Einschränkung gedacht. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen/umfassen” und/oder ”aufweisend/umfassend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
  • Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”etwa/ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Etwa/Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”etwa/ungefähr” verändert.
  • Wenn nichts anderes angegeben ist, versteht es sich, dass alle in der Beschreibung verwendeten Begriffe mit technischen und wissenschaftlichen Begriffen dieselbe Bedeutung haben, wie sie üblicherweise von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Offenbarung gehört, verstanden wird. Es versteht sich ferner, dass Ausdrücke/Begriffe, wie beispielsweise jene, die in häufig verwendeten Wörterbüchern definiert sind, derart ausgelegt werden sollten, dass sie eine Bedeutung aufweisen, die mit der Bedeutung im Kontext des Standes der Technik und der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne ausgelegt werden, sofern dies hierin nicht ausdrücklich bestimmt wird.
  • Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den gesamten Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder ähnlichen Teile.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Konfiguration eines Leistungsnetzes eines beispielhaften Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem durch eine Steuerung betrieben werden. Wie in 1 dargestellt, kann ein Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystem für ein Fahrzeug umfassen: eine Brennstoffzelle 10, die als eine Hauptleistungsquelle verwendet wird; eine Hochspannungsbatterie (Hauptbatterie) 20, die als eine Hilfsleistungsquelle verwendet wird, die über einen Hauptbusanschluss zueinander parallel geschaltet sind; einen bidirektionalen Hochspannungs-Gleichstrom/Gleichstrom-(DC/DC)Wandler (BHDC) 21, der mit der Hochspannungsbatterie 20 verbunden ist, um den Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 zu steuern/regeln; einen Inverter 31, der mit dem Hauptbusanschluss an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 10 und der Hochspannungsbatterie 20 verbunden ist; einen Antriebsmotor 32, der mit dem Inverter 31 verbunden ist; eine Niederspannungsbatterie (Hilfsbatterie) 40; eine Niederspannungslast 41; und einen Niederspannungs-DC/DC-Wandler (LDC) 42, welcher der Niederspannungsbatterie 40 und dem Hauptbusanschluss zwischengeschaltet ist und eingerichtet sein kann, um eine Hochspannung in eine Niederspannung umzuwandeln.
  • Die Brennstoffzelle 10, wie sie hierin verwendet wird, kann eine Hauptleistungsquelle eines Fahrzeugs sein und die Hochspannungsbatterie 20, wie sie hierin verwendet wird, kann eine Hilfsleistungsquelle des Fahrzeugs sein. Die Brennstoffzelle 10 und die Hochspannungsbatterie 20 können mit Lasten in einem System, wie der Inverter 31 und der Antriebsmotor 32, über den Hauptbusanschluss verbunden werden. Zusätzlich kann der BHDC 21, der mit einem Anschluss (Pol) der Hochspannungsbatterie 20 verbunden ist, mit dem Hauptbusanschluss an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 10 verbunden werden. Demzufolge können der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 und der Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 durch Einstellen der Spannung, die an den Hauptbusanschluss des BHDC 21 ausgegeben wird, eingestellt werden.
  • Der Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 10 kann mit einer Diode 13, die eingerichtet ist, um einen Rückstrom zu blockieren, verbunden werden und kann mit einem Relais 14, das wahlweise die Brennstoffzelle 10 mit dem Hauptbusanschluss verbinden kann, verbunden werden. Das Relais 14 kann während eines Leerlaufstopps und zum Zeitpunkt eines Neustarts des Brennstoffzellensystems als auch während eines normalen Fahrens eines Fahrzeugs (z. B. Fahren ohne Störungen/Fehlfunktionen) kontinuierlich mit der Brennstoffzelle 10 verbunden werden und die Verbindung desselben kann während eines normalen Abschaltens/Abstellens aufgrund einer Betätigung des Schlüssel zum Abschalten oder zum Zeitpunkt einer Notfall-Außerbetriebnahme unterbrochen oder getrennt werden. Der Inverter 31 zum Drehen/Rotieren des Antriebsmotors 32 kann mit dem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 10 oder der Hochspannungsbatterie 20 über den Hauptbusanschluss verbunden werden. Demzufolge kann die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 10 oder der Hochspannungsbatterie 20 abgegeben wird, durch eine Phasenumwandlung umgewandelt und an den Antriebsmotor 32 zugeführt werden, wodurch bewirkt wird, dass sich der Antriebsmotor 32 dreht.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann der Antriebsmotor 32 ohne Einschränkung in einem Modus unter einem FC-Modus, in dem der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 verwendet wird, einem EV-Modus, in dem der Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 verwendet wird, und einem HEV-Modus, in dem der Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 als Nebenstrom verwendet wird, während der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 als Hauptstrom verwendet wird, betrieben werden. Insbesondere kann während des Betriebs im EV-Modus in einem beispielhaften Brennstoffzellensystem die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 beim Starten/Anfahren aus dem Leerlaufstopp oder Neustarten gestoppt werden, bis der Antriebsmotor 32 durch den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 angetrieben wird, wobei die Drehung des Antriebsmotors 32 und ein Fahren eines Fahrzeugs durch den Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 durchgeführt werden können.
  • Während eines solchen Betriebs im EV-Modus kann das Relais 14 eingeschaltet werden und die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 kann aufgrund einer unterbrochenen Luftzufuhr gestoppt werden. In diesem Zustand kann der Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 unter Verwendung der Verstärkungsregelung des mit dem Ausgangsanschluss der Hochspannungsbatterie 20 verbundenen BHDC 21 zum Erhöhen der Spannung des Hauptbusanschlusses verstärkt werden. Demzufolge können die Lasten in einem Fahrzeug, wie beispielsweise der Inverter 31 und der Antriebsmotor 32, durch den Ausgangsstrom der Hochspannungsbatterie 20 betrieben werden. Eine Zufuhr an Luft kann während eines Leerlaufstopps des Brennstoffzellensystems ausgesetzt werden (z. B. unterbrochen oder getrennt) und während eines Neustarts wieder aufgenommen werden. Wenn das Brennstoffzellensystem in einem normalen Betriebsmodus nach dem Neustart den Betrieb aufnimmt, kann eine Lastfolgeregelung durchgeführt werden, da sich der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10 gemäß den Lasten eines Fahrzeugs unter einer normalen Luftzufuhr (z. B. Zufuhr ohne Störungen oder Fehler) ändern kann und ferner kann das Verstärken des BHDC 21 aufgebhoben oder gestoppt werden.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Tabelle mit verschiedenen beispielhaften Diagnoselevels, die in dem Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und jeder Diagnoselevel wird auf der Grundlage von Schweregraden des Wassermangels klassifiziert. 3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern des Betriebs eines beispielhaften Brennstoffzellensystems auf der Grundlage einer Herabsetzung der Wärmeableitungsleistung und eines Auftretens eines Wassermangels der Brennstoffzelle darstellt.
  • Wie in 2 gezeigt, kann ein Zustand eines Wassermangels in einem beispielhaften Brennstoffzellenstapel als einer von zwei Diagnoselevel (Diagnosestufen) (Flt Lvls), die einem Diagnoselevel 1 und einem Diagnoselevel 2 entsprechen, auf der Grundlage einer Herabsetzung der Wärmeableitungsleistung und einer Erhöhung eines Wärmewerts bestimmt werden. Je höher der Diagnoselevel, desto größer ist der Schweregrad des Wassermangels. Insbesondere wenn der Diagnoselevel 2 (Flt Lvl 2) bestimmt wird, kann eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels fortgeschritten sein und der Wärmewert kann erhoben worden sein. Wenn Diagnoselevel 1 (Flt Lvl 1) bestimmt wird, hat sich der Brennstoffzellenstapel möglicherweise noch nicht verschlechtert, aber ein Wassermangel kann auftreten und somit kann sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtern. Wenn Diagnoselevel 2 bestimmt wird, kann eine Intensität eines regenerativen Betriebs weiter erhöht werden als in dem Fall, wenn Diagnoselevel 1 bestimmt wird. Demzufolge kann die Intensität des regenerativen Betriebs oder die Anzahl von regenerativen Betriebsmodi gemäß dem Level der Verschlechterung oder Diagnose zunehmen.
  • Wenn ein erster Zustand, in dem der Brennstoffzellenstapel aufgrund einer Herabsetzung der Wärmeableitungsleistung austrocknet, bestimmt wird, kann die erste Stufe des Brennstoffzellenstapels als Diagnoselevel 1 bestimmt werden. Zusätzlich, wenn ein zweiter Zustand, in dem der Brennstoffzellenstapel aufgrund einer Erhöhung des Wärmewerts des Brennstoffzellenstapels austrocknet, kann der zweite Zustand des Brennstoffzellenstapels als Diagnoselevel 2 bestimmt werden. Der als Diagnoselevel 1 bestimmte erste Zustand kann in die folgenden drei Fälle auf der Grundlage von Gründen/Ursachen und Erfassungsverfahren eines Wassermangels oder einer Herabsetzung der Kühlleistung klassifiziert werden. In Fall 1 kann ein Wassermangel aufgrund eines Ausfalls von Komponenten eines Kühlsteuersystems in einem Brennstoffzellensystem oder eines Ausfalls des ganzen Kühlsteuersystems auftreten. Zum Beispiel kann die maximale Wärmeableitungsleistung des Brennstoffzellensystems beschränkt sein oder die Wärmeableitungsleistung kann aufgrund eines Ausfalls von Komponenten eines Kühlsteuersystems oder des ganzen Kühlsteuersystems oder aufgrund einer Änderung der Umgebungsbedingungen verschlechtert sein.
  • Insbesondere kann ein konvergierender Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, der die maximal zulässige Betriebstemperatur beibehält, verringert werden. Ferner, wenn die Verringerung des Ausgangsstromes anhält, kann die Feuchtigkeit verringert werden, wodurch ein Wassermangel in einem Brennstoffzellenstapel verursacht wird. Wenn der Wassermangelzustand anhält, kann sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtern. Insbesondere, da die Temperatur in dieser Stufe/Phase zunimmt, kann sich ein gesättigter Wasserdampfdruck entsprechend erhöhen. Da jedoch der Ausgangsstrom verringert wird, kann das Volumen von in dem Brennstoffzellenstapel erzeugtem Wasser verringert werden, wodurch bewirkt wird, dass die relative Feuchtigkeit deutlich abnimmt.
  • Beim Bestimmen eines jeden Falls des ersten Zustands kann zumindest eine Bedingung unter einer Mehrzahl von voreingestellten Bedingungen erfüllt werden. Zuerst kann in Fall 1, wenn ein Betrieb mit begrenzter Drehzahl aufgrund eines Ausfalls eines Hallsensors oder eines Dreiphasen-Stromsensors durchgeführt wird, eine Bedingung eines Ausfalls einer Kühlwasserpumpe und eines Kühlerlüfters bestimmt werden. Ferner, wenn ein zu einem Kühler gerichteter Fluss des Wassers aufgrund eines Ausfalls eines Motors zum Einstellen eines Thermostats oder aufgrund eines Ausfalls eines Thermostatöffnungsbefehls nicht erzeugt wird, kann eine Bedingung, dass eine Einstellung der Öffnung des Thermostats deaktiviert ist, bestimmt werden. Demzufolge kann Fall 1 des derzeitigen Wassermangelzustandes auf der Grundlage darauf bestimmt werden, ob ein Fehlersignal von einem Kühlsteuersystem mit einer Kühlwasserpumpe, einem Kühlerlüfter und einem Thermostat empfangen wird. Mit anderen Worten kann Fall 1 als ein Zustand definiert werden, in dem die Betriebstemperatur eines Brennstoffzellensystems kontinuierlich größer als eine vorgegebene Referenztemperatur für einen vorgegebenen Zeitraum oder länger aufgrund eines Ausfalls eines Kühlsteuersystems ist.
  • Außerdem kann Fall 2 ein Zustand sein, in dem ein Wassermangel aufgrund einer Änderung der Umgebungsbedingungen eines Brennstoffzellenfahrzeugs auftreten kann. Insbesondere kann der Wassermangelzustand auf der Grundlage einer Bestimmung darüber, ob zumindest ein Faktor unter einer Fahrgeschwindigkeit, einem Bergauffahrwinkel und einer Außentemperatur eines Brennstoffzellenfahrzeugs größer oder kleiner als sein vorgegebener Referenzwert ist, diagnostiziert werden. Darüber hinaus kann der Schweregrad des Wassermangels bestimmt werden, wenn die Außentemperatur des Brennstoffzellenfahrzeugs erhöht ist oder wenn die Kühlleistung aufgrund einer Verringerung eines Durchsatzes der einströmenden Luft aufgrund eines Bergauffahrens herabgesetzt ist. Insbesondere können die Bedingungen zum Bestimmen von Fall 2 sein: ein Zustand, in dem die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels größer als ein vorgegebener erster Referenzwert ist und für einen vorgegebenen Zeitraum beibehalten wird; ein Zustand, in dem die Fahrgeschwindigkeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs weniger als eine vorgegebene erste Referenzfahrgeschwindigkeit beträgt; ein Zustand, in dem der Bergauffahrwinkel eines Brennstoffzellenfahrzeugs größer als ein vorgegebener erster Referenzbergauffahrwinkel ist; oder ein Zustand, in dem die Außentemperatur eines Brennstoffzellenfahrzeugs größer als eine erste Referenzaußentemperatur ist.
  • Da sich die Temperatur und der Durchsatz der Stauluft oder des Abzugs, die in ein Fahrzeug eingeleitet werden, mit der Fahrgeschwindigkeit, dem Bergauffahrwinkel oder der Außentemperatur eines Brennstoffzellenfahrzeugs ändern können, kann in Fall 2 zumindest ein Faktor unter der Fahrgeschwindigkeit, dem Bergauffahrwinkel und der Außentemperatur, die Faktoren zum Ändern der Temperatur und des Durchsatzes von einströmender Luft darstellen, größer oder kleiner als sein Referenzwert sein und für einen vorgegebenen Zeitraum beibehalten werden.
  • In Fall 3 kann ein Wassermangelzustand, der nicht als Fall 1 oder Fall 2 bestimmt werden kann, auf der Grundlage einer Bestimmung darüber bestimmt werden, ob ein Integralwert der Stromabweichungen zwischen Referenzströmen, die gemäß der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels eingestellt werden können, und gemessenen tatsächlichen Ausgangsströmen des Brennstoffzellenstapels größer als ein vorgegebener erster Referenzwert ist, oder ob eine Verminderungsmenge von verbleibendem Wasser an der Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels größer als eine vorgegebene erste Referenzverminderungsmenge ist. Fall 3 kann ein Zustand sein, in dem Wasser nicht ausreichend vorhanden ist, obwohl ein Ausfall eines Kühlsteuersystems nicht erfasst werden kann oder obwohl eine Änderung der Umgebungsbedingungen nicht erkannt werden kann. Insbesondere, obwohl ein Ausfall eines Kühlsteuersystems nicht erfasst werden kann, wenn das Kühlsteuersystem im Wesentlichen versagt, wie beispielsweise ein Mangel oder ein Auslaufen von Kühlwasser und ein Eindringen von Verunreinigungen in einen Kühlkreislauf, kann ein Arbeitspunkt einer Brennstoffzelle kontinuierlich überwacht werden, um zu bestätigen, ob im Wesentlichen ein Betrieb bei hoher Temperatur und niedriger Leistung andauert. Demzufolge kann eine Herabsetzung der Kühlleistung erkannt werden und ein regenerativer Betrieb kann entsprechend durchgeführt werden.
  • Diagnoselevel 2 kann ein Zustand sein, in dem ein Brennstoffzellenstapel ausgetrocknet sein kann. Basierend auf dem Wassermangelzustand kann Diagnoselevel 2 auf der Grundlage der Auslenkung und Steigung einer Strom-Spannungs-Kennlinie, einer gemessenen Impedanz eines Brennstoffzellenstapels oder eines unter Verwendung eines Stromunterbrechungs-(Current Interrupt – CI)Verfahrens gemessenen Membranwiderstands bestimmt werden. Je größer der Diagnoselevel ist, desto größer ist der Fortschritt der Verschlechterung eines Brennstoffzellenstapels. Der niedrigste Diagnoselevel kann ein Zustand sein, in dem ein Wassermangel noch nicht eingetreten ist, aber vielleicht schon bald eintreten kann. Je größer der Diagnoselevel, desto größer ist der Schweregrad des Wassermangels. Wenn der Diagnoselevel zunimmt, kann es erforderlich sein, dass die Intensität des regenerativen Betriebs zunimmt, beispielsweise kann die Anzahl von durchgeführten regenerativen Betrieben oder die Intensität eines regenerativen Betriebs zunehmen.
  • Wie in 3 gezeigt, kann (durch eine Steuerung) bestimmt werden, ob die Wärmeableitungsleistung des Brennstoffzellenstapels verringert sein kann oder ob sich der Wärmewert des Brennstoffzellenstapels erhöht haben kann. Mit anderen Worten kann wie in 2 dargestellt, der derzeitige Wassermangelzustand des Brennstoffzellenstapels als Diagnoselevel 1 oder 2 (Flt Lvl 1 oder 2) in Schritt S310 bestimmt werden. Wenn der Wassermangelzustand des Brennstoffzellenstapels nicht als Diagnoselevel 1 oder 2 (Flt Lvl 1 oder 2) bestimmt wird, kann das Brennstoffzellensystem in einem normalen Betriebsmodus in Schritt S303 betrieben werden. Alternativ, wenn der Wassermangelzustand des Brennstoffzellenstapels als Diagnoselevel Flt Lvl 1 oder 2 bestimmt wird, kann zumindest einer der möglichen regenerativen Betriebsmodi auf der Grundlage des bestimmten Zustandes ausgewählt werden und ein regenerativer Betrieb kann in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus in Schritt S305 durchgeführt werden.
  • Wenn sich der Brennstoffzellenstapel von dem Wassermangel durch den regenerativen Betrieb in Schritt S307 erholt hat, kann in Schritt S301 bestimmt werden, ob eine Verschlechterung der Wärmeableitungsleistung des Brennstoffzellensystems auftreten kann oder ob der Wärmewert des Brennstoffzellensystems zunehmen kann. Der regenerative Betriebsmodus kann andauern, bis sich der Brennstoffzellenstapel vollständig von dem Wassermangel erholt hat.
  • 4A und 4B zeigen Graphen, die ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen, ob der derzeitige Wassermangelzustand des Brennstoffzellenstapels Fall 3 in 2 entspricht, darstellen. 4A zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen Betriebstemperaturen einer beispielhaften Brennstoffzelle und vorgegebenen Referenzströmen darstellt. Wie in 4 dargestellt, kann der Referenzstrom, der gemäß der Betriebstemperatur vorbestimmt wird, nicht zunehmen, bis die Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht wird, aber der Referenzstrom kann proportional mit der der Temperatur zunehmen, wenn die Temperatur erhöht wird, so dass sie größer als die vorbestimmte Temperatur ist. Zwei Kennlinien in 4A können sich auf zwei Sätze von Referenzstromwerten beziehen, die im Hinblick auf eine Hysterese verwendet werden können. 4B zeigt eine beispielhafte Integralberechnung von Abweichungen zwischen den Referenzstromwerten und gemessenen tatsächlichen Stromwerten (Ist-Stromwerten). Insbesondere wenn der Wert von der Integralberechnung der Abweichungen zwischen den Referenzstromwerten, die gemäß den Temperaturen des Brennstoffzellenstapels eingestellt werden, und tatsächlichen Stromwerten des Brennstoffzellenstapels größer als ein erster Referenzwert ist, kann bestimmt werden, dass der Wassermangelzustand dem Fall 3 entspricht.
  • Der Referenzstromwert für jede Betriebstemperatur kann vorgegebenen werden und zwei Sätze von Referenzstromwerten können unter Berücksichtigung der Hysterese eingestellt werden. Die Stromabweichung kann eine Differenz zwischen dem Referenzstromwert und dem gemessenen tatsächlichen Stromwert (Strom-Istwert) sein. Wenn der tatsächliche Stromwert größer als a1 ist, kann die Abweichung durch ”a1 – tatsächlicher Stromwert” berechnet werden. Wenn der tatsächliche Stromwert zwischen a1 und a2 liegt, beträgt die Stromabweichung ungefähr 0. Wenn der tatsächliche Stromwert größer als a2 ist, kann die Stromabweichung durch ”a2 – gemessenen Stromwert” berechnet werden. Anschließend kann bestimmt werden, ob der Wert einer Integraloperation der Stromabweichungen größer als der erste Referenzwert ist.
  • 5 zeigt ein beispielhaftes Schätzmodell der relativen Feuchtigkeit und eine variable Steuerung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft auf der Grundlage des Modells, das verwendet werden kann in einem zweiten Verfahren zum Bestimmen, ob ein vorhandener Wassermangelzustand dem Fall 3, wie in 2 beschrieben, entspricht. Das zweite Verfahren zum Bestimmen, ob der Wassermangelzustand dem Fall 3 entspricht, kann ein Verfahren zum Schätzen des Volumens von verbleibendem Wasser in dem Brennstoffzellenstapel sein. Wenn eine Verminderungsmenge von übrigem Wasser an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels größer als eine erste Referenzverminderungsmenge ist, kann der vorhandene Wassermangelzustand als Fall 3 bestimmt werden.
  • Um zu bestimmen, ob die Verminderungsmenge von Restwasser an der Kathodenseite größer als die erste Referenzverminderungsmenge ist, kann eine relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite auf der Grundlage des gemessenen Ausgangsstromwerts des Brennstoffzellenstapels, des Durchsatzes von Luft in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels und der Temperaturen von Luft in dem Einlass und Auslass an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels erhalten werden und dann kann eine Differenz zwischen dem Durchsatz von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite der geschätzten relativen Feuchtigkeit entsprechen kann, und dem Durchsatz von Wasserdampf, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite gesättigt ist, in die Berechnung für die Verminderungsmenge von Restwasser an der Kathodenseite integriert werden. Der Durchsatz von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels kann auf der Grundlage von gesättigten Wasserdampfdrücken in dem Einlass und Auslass des Brennstoffzellenstapels gemäß den in dem Einlass und Auslass gemessenen Temperaturen und auf der Grundlage eines Luftdrucks in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels basierend auf dem Durchsatz der Luft in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels erhalten werden. Wenn die berechnete Verminderungsmenge des restlichen Wassers größer als die erste Referenzverminderungsmenge ist, kann der gegenwärtige Wassermangelzustand als Fall 3 bestimmt werden, so dass ein regenerativer Betriebsmodus für Fall 3 ausgewählt werden kann.
  • Unter Bezugnahme auf 5, um die geschätzte relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu erhalten, können der Durchsatz von Wasserdampf in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels, das Volumen von erzeugtem Wasser und das Volumen von Wasser, das sich zwischen der Kathode und der Anode in dem Brennstoffzellenstapel bewegt, in Betracht gezogen werden, und es kann angenommen werden, dass es eine minimale Änderung des Volumens von übrigem Wasser an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels geben kann.
  • Insbesondere können eingegebene Werte, die zum Schätzen der relativen Feuchtigkeit an der Kathodenseite verwendet werden, die Temperaturen von Luft in dem Einlass und Auslass des Brennstoffzellenstapels, den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels und den Durchsatz von Luft in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels umfassen. Der Gesamtluftdruck in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels kann eine Funktion des Durchsatzes von Luft in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels sein und der Gesamtluftdruck in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels kann eine Funktion des Durchsatzes von Luft in dem Brennstoffzellenstapel sein, sofern nichts anderes angegeben ist. Die gesättigten Wasserdampfdrücke in dem Einlass und Auslass des Brennstoffzellenstapels können Funktionen der Temperaturen von Luft in dem Einlass beziehungsweise Auslass des Brennstoffzellenstapels sein.
  • Um das Volumen von restlichem Wasser in dem Brennstoffzellenstapel zu erhalten, kann der Durchsatz von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels, der auch gemessen werden kann, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite ungefähr gleich dem geschätzten Wert ist, berechnet werden. Der Durchsatz von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels kann erhalten werden aus einem Durchsatz von trockener Luft in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels, der einer Differenz zwischen einem Durchsatz von Luft in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels und einer Menge von reaktivem Sauerstoff entspricht, die 0,6222 beträgt, die durch Dividieren einer Masse von 1 Mol durch eine Masse von 1 Mol trockener Luft erhalten wird, und einem Verhältnis von einem Wasserdampfdruck in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels in Bezug auf einen Wert, der durch Subtrahieren eines Wasserdampfdrucks in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels von dem Gesamtluftdruck in dem Auslass des Brennstoffzellenstapel erhalten wird.
  • Anschließend, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite ungefähr 100% beträgt, kann der Durchsatz von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels berechnet werden. Ein Berechnungsverfahren kann oben beschrieben werden, das verwendet wird, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite gleich dem geschätzten Wert derselben ist. Die Verminderungsmenge von restlichem Wasser an der Kathodenseite kann berechnet werden durch Subtrahieren des Durchsatzes von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite ungefähr gleich dem berechneten Wert von dem Durchsatz von Wasserdampf in dem Auslass des Brennstoffzellenstapels ist, während die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite gesättigt ist, und anschließend durch Integrieren des resultierenden Werts in Bezug auf die Zeit.
  • Wie in 5 dargestellt, kann ein stöchiometrisches Sollverhältnis bestimmt werden auf der Grundlage eines Schätzmodells der relativen Feuchtigkeit (relative humidity – RH) unter Verwendung eines Kennfeldes mit stöchiometrischen Verhältnissen, in dem stöchiometrische Verhältnisse und geschätzte Werte der relativen Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite aufeinander abgebildet sind, oder Durchführen einer PI-Regelung des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Grundlage einer relativen Soll-Feuchtigkeit. In dem Schätzmodell der relativen Feuchtigkeit (RH) werden der tatsächliche Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels, der tatsächliche Durchsatz von Luft, die Temperatur von Luft in dem Einlass an der Kathodenseite, die Temperatur von Luft in dem Auslass an der Kathodenseite und die Anzahl von Brennstoffzellen, die den Brennstoffzellenstapel bilden, als Eingangswerte eingegeben. In einem solchen Modell können ein Wirkungsgrad-Kennfeld einer Befeuchtungsvorrichtung, die Menge an Wasser, die von der Anodenseite an die Kathodenseite übertragen werden kann, der Luftdruck in dem Einlass an der Kathodenseite in Bezug auf den Luftdurchsatz und der Luftdruck in dem Auslass an der Kathodenseite in Bezug auf den Luftdurchsatz als interne Parameter verwendet werden.
  • 6A bis 6C zeigen ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 6A bis 6C stellen ferner ein Umschalten zwischen einem normalen Betriebsmodus und einem regenerativen Betriebsmodus dar. In 6 sind Fall 1 und Fall 2 dargestellt und in 6B ist Fall 3 dargestellt und in 6C ist Flt Lvl 2 gezeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 6A bis 6C kann der regenerative Betriebsmodus umfassen: einen Verschlechterungsverhinderungsmodus und einen Stapelregenerationsmodus. Der regenerative Betriebsmodus kann umfassen: einen ersten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern einer Betriebsgrenztemperatur eines Brennstoffzellenstapels; einen zweiten regenerativen Betriebsmodus zum Erhöhen eines Luftdrucks an der Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels oder Verringern eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft; und einen dritten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern eines Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels oder Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff. In Diagnoselevel 1 kann der regenerative Betrieb während eines Änderns der Intensität des regenerativen Betriebs in einem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus durchgeführt werden. In Diagnoselevel 2 kann der regenerative Betrieb mit der maximalen Intensität in einem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus durchgeführt werden.
  • 6A stellt ein beispielhaftes Betriebssteuerverfahren dar, das unter einer Bedingung durchgeführt wird, wenn eine Betriebstemperatur größer als eine erste Referenztemperatur T2 ist und wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: ein Fahrgeschwindigkeit beträgt weniger als eine erste Referenzfahrgeschwindigkeit V1; ein Bergauffahrwinkel ist größer als ein erster Referenzbergauffahrwinkel G1; eine Außentemperatur ist größer als eine erste Referenzaußentemperatur Ta1; und ein Signal zum Anzeigen eines Ausfalls eines Kühlsteuersystems wird empfangen.
  • 6B stellt ein beispielhaftes Betriebssteuerverfahren zum Durchführen eines regenerativen Betriebs gemäß einer Bestimmung darüber, ob der Integralwert Q von Stromabweichungen gleich oder größer als ein erster Referenzintegralwert Q2 ist oder nicht, oder einer Bestimmung darüber, ob die Verminderungsmenge von restlichem Wasser in einem Brennstoffzellenstapel größer als eine erste Referenzverminderungsmenge ist.
  • Mit anderen Worten, wenn der Zustand, in dem die oben erwähnten Bedingungen erfüllt werden, für einen vorgegebenen Zeitraum während des normalen Betriebsmodus beibehalten wird, kann zumindest ein regenerativer Betriebsmodus unter einer Mehrzahl von möglichen regenerativen Betriebsmodi ausgewählt werden und kann ein regenerativer Betrieb in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus durchgeführt werden. Die Anzahl von regenerativen Betriebsmodi und die Intensität eines regenerativen Betriebs, die gemäß Diagnoselevel 1 und Diagnoselevel 2 ausgewählt werden, können variieren. Die Anzahl von ausgewählten regenerativen Betriebsmodi und die Intensität des regenerativen Betriebs können in Abhängigkeit von dem Grad der Verschlechterung der Wärmeableitungsleistung ohne Begrenzung auf den Diagnoselevel, zum Beispiel Diagnoselevel 1, variieren. Wenn der Brennstoffzellenstapel in dem ausgewählten regenerativen Betrieb betrieben wird, kann die Intensität des regenerativen Betriebs gemäß dem Schweregrad des Wassermangels geändert werden.
  • Insbesondere in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus kann der regenerative Betrieb durchgeführt werden durch Verringern der Betriebsgrenztemperatur oder Erhöhen des Luftdrucks und Verringern des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft an der Kathodenseite, oder durch Verringern des Wasserstoffgasdrucks und Erhöhen des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff an der Anodenseite gemäß dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus. Darüber hinaus kann die Anzahl von verwendeten regenerativen Betriebsmodi gemäß dem Schweregrad des Wassermangels geändert werden.
  • Wenn der regenerative Betrieb in dem ersten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern der Betriebsgrenztemperatur des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird, kann ein Reduktionsgrad der Betriebsgrenztemperatur gemäß dem bestimmten Diagnoselevel variieren. Wenn der regenerative Betrieb in dem zweiten regenerativen Betriebsmodus zum Erhöhen des Luftdrucks und Verringern des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft an der Kathodenseite durchgeführt wird, kann gemäß dem bestimmten Diagnoselevel ein erhöhter Betrag des Luftdrucks an der Kathodenseite variieren und kann ein verringerter Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft variieren. Wenn der regenerative Betrieb in dem dritten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern des Wasserstoffgasdrucks und Erhöhen des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff an der Anodenseite durchgeführt wird, kann gemäß dem bestimmten Diagnoselevel ein verringerter Betrag des Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite variieren und kann das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff variieren.
  • Wie in 6A dargestellt, wenn alle folgenden Bedingungen erfüllt sind und die erfüllten Bedingungen für einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten werden, kann der ausgewählte regenerative Betriebsmodus aufgehoben werden, die Betriebsgrenztemperatur beträgt weniger als eine zweite Referenztemperatur T2_1, die Fahrgeschwindigkeit ist größer als eine zweite Referenzfahrgeschwindigkeit V2, der Bergauffahrwinkel ist größer als ein zweiter Referenzbergauffahrwinkel G2, die Außentemperatur beträgt weniger als eine zweite Referenzaußentemperatur Ta2 und ein Signal, das eine Fehlfunktion eines Kühlsteuersystems angibt, wird nicht empfangen.
  • Wie in 6B dargestellt, wenn der Integralwert Q der Stromabweichungen gleich oder größer als ein zweiter Referenzintegralwert Q2 sein kann oder wenn eine Verminderungsmenge von restlichem Wasser in einem Brennstoffzellenstapel gleich oder weniger als eine zweite Referenzverminderungsmenge sein kann, kann der ausgewählte regenerative Betriebsmodus aufgehoben werden.
  • 6C stellt einen beispielhaften Prozess zum Umschalten zwischen einem normalen Betriebsmodus und einem regenerativen Betriebsmodus gemäß dem Schweregrad der Verschlechterung eines Brennstoffzellenstapels dar, der der Diagnoselevel 2 sein kann. Wenn der Schweregrad der Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels, der aus einer Spannungs-Strom-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels oder einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels berechnet werden kann, größer als ein erster Referenz-Schweregrad der Verschlechterung ist, kann der normale Betriebsmodus zu dem regenerativen Betriebsmodus umschalten. Wenn Diagnoselevel 2 bestimmt wird, kann der Brennstoffzellenstapel ausgetrocknet sein und sich demzufolge verschlechtern, wobei die Intensität des regenerativen Betriebs in einem regenerativen Betriebsmodus zum Regenerieren des Brennstoffzellenstapels von einer Verschlechterung auf einen zulässigen Maximalwert eingestellt werden kann.
  • Insbesondere wenn Fall 3 in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus bestimmt wird, kann der regenerative Betrieb unter den Bedingungen durchgeführt werden, in denen die Betriebsgrenztemperatur auf einen vorgegebenen unteren Grenzwert gemäß dem Schweregrad des Wassermangels verringert wird, der Luftdruck an der Kathodenseite auf einen vorgegebenen oberen Grenzwert erhöht wird, das stöchiometrische Verhältnis von Luft auf einen unteren Grenzwert verringert werden kann, der Wasserstoffgasdruck an der Anodenseite auf einen unteren Grenzwert verringert werden kann und somit kann das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff auf einen oberen Grenzwert ansteigen.
  • 7 zeigt einen Graphen, der einen beispielhaften regenerativen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt und 8 zeigt ein Diagramm, das einen beispielhaften regenerativen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. 14 zeigt einen Graphen, der einen weiteren regenerativen Betrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein Verfahren zum Einstellen des Volumens von Wasser in einer Brennstoffzelle durch eine Zwangsluftkühlung, Unterbrechung der Luftzufuhr, ein erzwungenes Laden der Batterie oder eine Verwendung von Lasten kann in einer kritischen Situation wie einem hohen Ausgangsstrom möglicherweise nicht zweckdienlich sein.
  • 7 stellt einen beispielhaften regenerativen Betriebsmodus zum Verringern der Betriebsgrenztemperatur unter einer Mehrzahl von regenerativen Betriebsmodi dar. Wenn der Schweregrad des Wassermangels bestimmt wird und dann die Intensität des regenerativen Betriebs bestimmt wird, oder wenn alternativ ein verringerter Betrag der Betriebsgrenztemperatur bestimmt wird, kann eine Hochtemperatur-Leistungsbegrenzungs-Referenztemperatur verringert werden. Wenn die Betriebsgrenztemperatur verringert wird, kann der gesättigte Wasserdampfdruck im Wesentlichen verringert werden und die relative Feuchtigkeit kann erhöht werden.
  • Wie in 8 und 14 gezeigt, kann das Volumen von erzeugtem Wasser, das abgelassen werden soll, im Wesentlichen verringert werden, indem die Luft- und Wasserstoffgasrücke oder die stöchiometrischen Verhältnisse von Luft und Wasserstoff eingestellt werden, so dass eine interne Befeuchtungsstruktur gebildet werden kann und die gesamte Fläche der Membran gleichmäßig befeuchtet werden kann. Insbesondere kann das Volumen von erzeugtem Wasser, das aus dem Brennstoffzellenstapel abgelassen werden soll, minimiert werden, indem der Luftdruck an der Kathodenseite erhöht wird und das stöchiometrische Verhältnis von Luft verringert wird. Darüber hinaus kann die interne Befeuchtungsstruktur, die eine Zirkulation von Kühlwasser verwendet, durch Verringern des Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite und Erhöhen des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff gebildet werden. Um den Wasserstoffgasdruck zu verringern, kann die Stufe der Druckregelung an der Anodenseite erhöht werden, und das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff kann anschließend gemäß der Stufe der Druckregelung an der Anodenseite zunehmen.
  • 9 bis 13 zeigen Graphen, die Verfahren zum Einstellen des Luftdrucks und des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft von an eine Kathode zugeführter Luft, wie dies in 8 gezeigt ist, darstellen. Wenn die Intensität des regenerativen Betriebs in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus gemäß dem Schweregrad des Wassermangels bestimmt wird, oder wenn alternativ eine Erhöhung des Luftdrucks an der Kathodenseite bestimmt wird, kann die Stufe der Druckregelung an der Kathodenseite erhöht werden und der maximale Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft kann verringert werden. Um die Stufe der Druckregelung zu erhöhen, kann die Öffnung eines BCV an der Kathodenseite reduziert werden. Zum Zeitpunkt eines Erhöhens des Drucks kann der Maximalwert des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft auf SR_Lo1 begrenzt werden. Wie in 11 dargestellt, da die Stufe der Druckregelung erhöht wird, kann das SR_Lo1 verringert werden. Ein variabler Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses kann bei Atmosphärendruck zunehmen, aber kann bei verringertem Druck verringert werden, weil sich das stöchiometrische Verhältnis änder kann, um ein Überlaufen zu verhindern.
  • Unter Berücksichtigung einer Überdruckperiode in einem Betrieb unter Druck kann eine Variable eines Druckverhältnisses verwendet werden. Der Maximalwert des stöchiometrischen Verhältnisses kann während der Überdruckperiode linear auf das SR_Lo1 verringert werden. Ein Druckverhältnis kann ein Verhältnis von einer Differenz zwischen einer tatsächlichen Öffnung (Ist-Öffnung) und einem Öffnungsbefehlwert bei Atmosphärendruck mit Bezug auf eine Differenz zwischen Öffnungsbefehlwerten bei Atmosphärendruck und bei erhöhtem Druck sein.
  • 15A bis 15C zeigen Graphen, die eine Änderung der Intensität eines beispielhaften regenerativen Betriebs gemäß den Betriebsbedingungen in einem beispielhaften Verfahren zum Steuern des Betriebs eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. 15A stellt eine Änderung der Intensität eines beispielhaften regenerativen Betriebs gemäß einer Fahrgeschwindigkeit dar, 15B stellt eine Änderung der Intensität eines beispielhaften regenerativen Betriebs gemäß der Außentemperatur eines Brennstoffzellenfahrzeugs, dem Bergauffahrwinkel, dem Schweregrad der Störung eines Kühlsteuersystems, einem Integralwert von Stromabweichungen und einer Verminderungsmenge von restlichem Wasser dar. 15C stellt eine Änderung der Intensität eines beispielhaften regenerativen Betriebs gemäß den Schweregraden der Verschlechterung eines Brennstoffzellenstapels dar.
  • Wie in 15A und 15B gezeigt, kann die Intensität des regenerativen Betriebs, um eine Hysterese aufzuweisen, gemäß der Fahrgeschwindigkeit, der Außentemperatur, dem Bergauffahrwinkel, dem Schweregrad der Störung eines Kühlsteuersystems, dem Integralwert von Stromabweichungen und der Verminderungsmenge von restlichem Wasser geändert werden. Mit anderen Worten können 15A und 15B beispielhafte Kennfelder der Intensitäten eines regenerativen Betriebs zeigen. Wie oben beschrieben kann die Intensität des regenerativen Betriebs gemäß dem Schweregrad des Wassermangels durch Einstellen der Betriebsgrenztemperatur, des Luftdrucks und stöchiometrischen Verhältnisses von Luft an der Kathodenseite, und des Wasserstoffgasdrucks und stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff an der Anodenseite eingestellt werden. Darüber hinaus stellen 15A und 15B ein beispielhaftes Verfahren zum linearen Erhöhen der Intensität des regenerativen Betriebs gemäß dem Schweregrad des Wassermangels dar, aber die Intensität des regenerativen Betriebs kann nichtlinear ansteigen.
  • Unterdessen kann in 15C die Intensität des regenerativen Betriebs als ein zulässiger oberer Maximalwert bestimmt werden, wenn der regenerative Betrieb erforderlich ist, zum Beispiel wenn der Schweregrad der Verschlechterung zu einem ersten Referenzwert des Schweregrads der Verschlechterung oder größer äquivalent ist.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Intensität des regenerativen Betriebs verringert werden und die Anzahl von regenerativen Betriebsmodi kann verringert werden, wenn Flt Lv 1 verringert wird und der Schweregrad des Wassermangels des Brennstoffzellenstapels verringert wird. Ferner können die regenerativen Betriebsmodi gemäß dem Schweregrad des Wassermangels eines Brennstoffzellenstapels wahlweise betrieben werden, wenn ein Luft-/Brennstoffverhältnis verringert wird oder ein Ansprechen der Beschleunigung verringert wird.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden ist, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen und äquivalente Ausführungsformen möglich sin, ohne von dem Umfang und der Lehre der Erfindung abzuweichen. Demzufolge wird der technische Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.

Claims (24)

  1. Verfahren zum Steuern eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems, aufweisend die Schritte zum: Diagnostizieren, durch eine Steuerung, eines Wassermangelzustandes in einem Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage einer Herabsetzung der Kühlleistung und einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels; Bestimmen, durch die Steuerung, eines Diagnoselevels des Brennstoffzellensystems auf der Grundlage des diagnostizierten Wassermangelzustandes des Brennstoffzellenstapels; und Durchführen, durch die Steuerung, eines regenerativen Betriebs durch Auswählen eines regenerativen Betriebsmodus, der dem bestimmten Diagnoselevel entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Bestimmen des Brennstoffzellensystems ein erster Zustand, in dem vorhergesagt wird, dass ein Wassermangel aufgrund einer Herabsetzung der Kühlleistung auftritt, als Diagnoselevel 1 bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Zustand einen Zustand umfasst, in dem ein Wassermangel in dem Brennstoffzellenstapel aufgrund einer Fehlfunktion eines Kühlsystems vorhergesagt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der erste Zustand ein Zustand ist, in dem eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems eine vorbestimmte Referenztemperatur ist oder mehr beträgt und in dem eine Fehlfunktion des Kühlsystems für einen vorbestimmten Zeitraum andauert.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Zustand einen Zustand umfasst, in dem ein Wassermangel in dem Brennstoffzellenstapel aufgrund einer Erhöhung oder Verringerung einer Temperatur oder eines Durchsatzes eines Abzugs vorhergesagt wird, und wobei der erste Zustand ein Zustand ist, in dem zumindest ein Faktor unter einer Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs, einem Bergauffahrwinkel und einer Außentemperatur kontinuierlich größer oder kleiner als ein vorbestimmter Referenzwert für einen vorbestimmten Zeitraum ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Zustand ein Zustand ist, in dem die Fahrgeschwindigkeit kontinuierlich weniger als eine erste Referenzfahrgeschwindigkeit für einen vorbestimmten Zeitraum beträgt, oder der Bergauffahrwinkel kontinuierlich größer als ein erster Referenzbergauffahrwinkel für den vorbestimmten Zeitraum ist oder die Außentemperatur kontinuierlich größer als eine erste Referenzaußentemperatur für den vorbestimmten Zeitraum ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Zustand auf der Grundlage einer Bestimmung darüber, ob ein Wert, der unter Verwendung eines Referenzstromes des Brennstoffzellenstapels und eines gemessenen Stromes des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, größer als ein erster Referenzwert ist, wobei der Referenzstrom gemäß einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird und der gemessene Strom als ein tatsächlicher Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, bestimmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Referenzstrom mit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels zunimmt.
  9. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Zustand auf der Grundlage einer Änderung einer Menge von verbleibendem Wasser an einer Kathodenseite bestimmt wird, wobei der Betrag der Änderung unter Verwendung eines geschätzten Werts der relativen Feuchtigkeit an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels berechnet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der geschätzte Wert der relativen Feuchtigkeit an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage von Temperaturen in einem Einlass und einem Auslass der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, eines Luftdurchsatzes in einem Einlass des Brennstoffzellenstapels und eines erzeugten Stroms, der von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, erhalten wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Änderung der Menge von verbleibendem Wasser berechnet wird unter Verwendung einer Durchflussmenge von Wasserdampf in dem Auslass an der Kathodenseite, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite ungefähr gleich dem geschätzten Wert der relativen Feuchtigkeit ist, und unter Verwendung einer Durchflussmenge von Wasserdampf in dem Auslass an der Kathodenseite, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Auslass an der Kathodenseite innerhalb eines Bereichs von ungefähr 90% bis 110% liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Durchflussmenge von Wasserdampf in dem Auslass an der Kathodenseite unter Verwendung eines Wasserdampfdrucks in dem Auslass an der Kathodenseite, eines Luftdrucks in dem Auslass an der Kathodenseite, der von dem Luftdurchsatz in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels abhängt, und des Luftdurchsatzes in dem Einlass des Brennstoffzellenstapels berechnet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Bestimmen des Brennstoffzellensystems ein zweiter Zustand, in dem der Brennstoffzellenstapel aufgrund eines Wassermangels verschlechtert ist und in dem ein Wärmewert des Brennstoffzellenstapels erhöht ist, als Diagnoselevel 2 bestimmt wird, und wobei die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Spannungs-Strom-Kennlinie des Brennstoffzellenstapels oder eines Impedanz- oder Stromunterbrechungsverfahrens in Bezug auf den Brennstoffzellenstapel bestimmt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der regenerative Betriebsmodus umfasst einen ersten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern einer Betriebsgrenztemperatur des Brennstoffzellenstapels; einen zweiten regenerativen Betriebsmodus zum Erhöhen eines Luftdrucks an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels oder Verringern eines stöchiometrischen Verhältnisses von Luft; und einen dritten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern eines Wasserstoffgasdrucks an einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels oder Erhöhen eines stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff.
  15. Verfahren nach Anspruch 2, wobei in dem Durchführen des regenerativen Betriebs der regenerative Betrieb während eines Änderns einer Intensität des regenerativen Betriebs in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus durchgeführt wird, wenn Diagnoselevel 1 bestimmt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in dem Durchführen des regenerativen Betriebs der regenerative Betrieb durch Erhöhen der Intensität des regenerativen Betriebs auf einen zulässigen Maximalwert in dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus durchgeführt wird, wenn Diagnoselevel 2 bestimmt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei, wenn der regenerative Betrieb in dem ersten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern der Betriebsgrenztemperatur des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird, die Betriebsgrenztemperatur gemäß dem bestimmten Diagnoselevel geändert wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei, wenn der regenerative Betrieb in dem zweiten regenerativen Betriebsmodus zum Erhöhen des Luftdrucks an der Kathodenseite oder Verringern des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft durchgeführt wird, ein erhöhter Betrag des Luftdrucks an der Kathodenseite oder ein verringerter Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft gemäß dem bestimmten Diagnoselevel geändert wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei auf der auf der Grundlage eines bestimmten Luftauslass-Ventilöffnungs-Kennfeldes in Bezug auf einen Luftstrom oder einer Leistung einer Brennstoffzelle gemäß dem bestimmten Diagnoselevel ein Öffnen eines Luftauslassventils zunimmt oder ein variabler Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft verringert wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 14, wobei, wenn der regenerative Betrieb in dem dritten regenerativen Betriebsmodus zum Verringern des Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels oder Erhöhen des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff durchgeführt wird, ein verringerter Betrag des Wasserstoffgasdrucks an der Anodenseite oder ein erhöhter Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff gemäß dem bestimmten Diagnoselevel geändert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei auf der Grundlage eines voreingestellten Wasserstoffgas-Solldruck-Kennfeldes in Bezug auf den Luftstrom oder einer Leistung der Brennstoffzelle gemäß dem bestimmten Diagnoselevel der Wasserstoffgas-Solldruckwert verringert wird oder ein erhöhter Betrag des stöchiometrischen Verhältnisses von Wasserstoff verringert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 2, wobei, wenn Diagnoselevel 1 bestimmt wird, der regenerative Betrieb durchgeführt wird, um gemäß dem ausgewählten Betriebsmodus eine Betriebsgrenztemperatur zu verringern, um den Luftdruck an der Kathodenseite zu erhöhen oder um einen variablen Bereich des stöchiometrischen Verhältnisses von Luft zu verringern.
  23. Verfahren nach Anspruch 13, wobei, wenn Diagnoselevel 2 bestimmt wird, der regenerative Betrieb durchgeführt wird, um gemäß dem ausgewählten regenerativen Betriebsmodus eine Betriebsgrenztemperatur auf eine vorbestimmte untere Grenztemperatur zu verringern, um den Luftdruck an der Kathodenseite auf einen voreingestellten oberen Grenzluftdruck zu erhöhen, um das stöchiometrische Verhältnisses von Luft auf ein unteres stöchiometrisches Verhältnisses von Luft zu verringern, um den Wasserstoffgasdruck an der Anodenseite auf einen unteren Grenzwasserstoffgasdruck zu verringern oder um das stöchiometrische Verhältnisses von Wasserstoff auf ein oberes stöchiometrisches Verhältnisses von Wasserstoff zu erhöhen.
  24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Durchführen des regenerativen Betriebs der regenerative Betrieb während eines Änderns der Anzahl von ausgewählten regenerativen Betriebsmodi gemäß dem bestimmten Diagnoselevel durchgeführt wird.
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