DE102005008083B4

DE102005008083B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Gegendrucksteuerung mit einem diskreten Ventil für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102005008083B4
Application number: DE102005008083A
Authority: DE
Inventors: Bruce Jeffrey Clingerman; John P. Salvador; Ronald L. James
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: US7235318B2; US20050186457A1; US20070231640A1; JP2005243630A; US7771855B2; DE102005008083A1; US20070231629A1; US7749624B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (10; 32), das umfasst:
einen Kompressor (14) zum Erzeugen einer Druckluftströmung;
einen Brennstoffzellenstapel (12), der auf die Druckluftströmung reagiert und eine Katodenabgasströmung erzeugt; und
ein Zweistellungsventil (18; 34), das auf die Katodenabgasströmung reagiert, wobei das Ventil (18; 34) geöffnet ist, falls die Betriebstemperatur des Systems unter einer vorgegebenen Temperatur liegt, während das Zweistellungsventil (18; 34) geschlossen ist, falls die Betriebstemperatur des Systems über die vorgegebene Temperatur steigt, so dass der Abgasgegendruck steigt, um eine Feuchtigkeitssteuerung zu liefern,
gekennzeichnet durch
ein festes Drosselventil (20), das auf die Katodenabgasströmung reagiert, wobei das feste Drosselventil (20) einen vorgegebenen Katodenabgasgegendruck liefert, wenn das Zweistellungsventil (18; 34) geschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Gegendrucksteuerung verwendet, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das ein diskretes Zweistellungsventil am Katodenauslass des Systembrennstoffzellenstapels zum Steuern des Stapeldrucks und der relativen Feuchtigkeit verwendet.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden kann. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Mittel für die Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen als Leistungsquelle für Fahrzeuge auf. Diese Fahrzeuge haben einen höheren Wirkungsgrad und erzeugen weniger Emissionen als die heutigen Fahrzeuge, die Brennkraftmaschinen verwenden.
Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Katode mit einem Elektrolyten dazwischen enthält. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Katode (Kathode) Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und -elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen werden durch den Elektrolyten zu der Katode geleitet. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und mit den Elektronen in der Katode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten geleitet werden und werden somit über eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie an die Katode gesendet werden. Die Arbeit bewirkt, dass das Fahrzeug betrieben wird.
Protonaustauschmembranen-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine verbreitete Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC enthält eine feste Polymerelektrolyt-Protonleitermembran wie etwa eine Perfluor-Sulfonsäure-Membran. Die Anode und die Katode enthalten typisch fein verteilte Katalysatorpartikel, üblicherweise Platin (Pt), die an Kohlenstoffpartikeln gestützt und mit einem Ionomer gemischt sind. Die Kombination der Anode, der Katode und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind verhältnismäßig teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für den effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen das richtige Wassermanagement und die Befeuchtung sowie die Steuerung von Katalysatorvergiftungsbestandteilen wie etwa Kohlenmonoxid (CO).
Brennstoffzellen sind typisch in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt das Katodeneinlassgas als Luftströmung, die typisch durch einen Kompressor durch den Stapel gedrängt wird. Nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft wird von dem Stapel verbraucht, wobei ein Teil der Luft als ein Katodenabgas abgegeben wird, das als Nebenprodukt Wasser enthalten kann.
Die Feuchtigkeit oder Nässe der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel ist ein wichtiges Entwurfskriterium für den effektiven Stapelbetrieb. Zu viel Wasser in dem Stapel bewirkt, dass verhindert wird, dass der Sauerstoff in dem Katodeneinlassgas den Katalysator an den Katoden erreicht. Zu wenig Wasser in dem Stapel veranlasst, dass die Stapelmembranen austrocknen und anfälliger gegenüber Rissbildung und anderer Beschädigung werden. Je mehr Strom der Stapel erzeugt, desto mehr Wasser wird als Nebenprodukt des elektrochemischen Prozesses erzeugt. Allerdings trocknen die Stapelmembranen umso stärker aus, je mehr Luft von dem Kompressor durch den Stapel gedrängt wird, um mehr Strom zu liefern. Während des Betriebs mit dem höchsten Wirkungsgrad besitzt der Stapel typisch eine relative Feuchtigkeit von 110%. Bei einer relativen Feuchtigkeit von 110% ist das Abgas zu 100% gesättigt und enthält außerdem etwas überschüssiges Wasser.
Ein weiterer Faktor, der die relative Feuchtigkeit des Stapels beeinflusst, ist die Stapeltemperatur. Während die Stapeltemperatur steigt, steigt ebenfalls die Fähigkeit des Stapels, Wasser in dem Dampfzustand zu halten, was es erschwert, eine gewünschte relative Feuchtigkeit des Stapels aufrechtzuerhalten, da hierfür mehr Wasser erforderlich ist. Ein weiterer Faktor, der die relative Feuchtigkeit des Stapels beeinflusst, ist der Stapeldruck. Während der Druck in dem Stapel steigt, nimmt die Fähigkeit des Stapels ab, Wasser im Dampfzustand zu halten. Somit ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Steuerung der relativen Feuchtigkeit der Katode die Steuerung des Drucks und der Temperatur des Brennstoffzellensystems.
Ein Brennstoffzellensystem, mit dem sich die relative Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel beeinflussen lässt und das gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildet ist, wird beispielsweise in der US 6,936,359 B2 beschrieben. Dieses System weist eine Kathodenabgasrückführung auf, über die feuchte Kathodenabgase zurück zum Kathodeneingang geführt werden können. Solche Brennstoffzellensysteme mit Kathodenabgasrückführung werden ebenfalls in der US 2003/0219636 A1 oder in der WO 02/099911 A2 beschrieben.
Brennstoffzellensysteme müssen Abwärme ausscheiden. Ein Brennstoffzellensystem enthält ein Wärmekühlmittel-Teilsystem, das Wärme aus dem Stapel entfernt, so dass er bei der gewünschten Betriebstemperatur arbeitet. Das erwärmte Kühlmittel aus dem Stapel wird zu einem Kühler geführt, der die Temperatur des Kühlmittels senkt, so dass es an den Stapel zurückgegeben werden kann, um die Abwärme des Stapels zu entfernen. Die Größe des Kühlers begrenzt, wie viel Wärme aus dem Kühlmittel entfernt werden kann.
Die Abwärmemenge, die das Kühlmittel-Teilsystem ausscheiden kann, ist direkt proportional zur Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems. Falls das System bei einer höheren Temperatur arbeiten kann, kann ein kleinerer Kühler verwendet werden, um die Wärme zu entfernen, so dass Platz gespart wird. Leider erfordert eine höhere Betriebstemperatur einen höheren Systemdruck, um die relative Feuchtigkeit des Stapels auf dem gewünschten Niveau zu halten. Mit anderen Worten, während die Temperatur des Stapels steigt, nimmt seine Fähigkeit, Wasser zu halten, zu, so dass mehr Wasser erforderlich ist, um die gewünschte relative Feuchtigkeit einzuhalten. Der höhere Druck beseitigt die Wirkung der höheren Temperatur auf die relative Feuchtigkeit. Allerdings erzeugt der Stapel bei höheren Betriebstemperaturen möglicherweise nicht genug Wasser, um die geforderte relative Feuchtigkeit einzuhalten.
Da die Größe des Kühlers in einem Fahrzeug begrenzt ist, muss ein Brennstoffzellensystem typisch bei höheren Temperaturen arbeiten. Somit muss der Druck des Brennstoffzellenstapels erhöht werden, so dass darin mehr Wasser gehalten wird, um die gewünschte relative Feuchtigkeit einzuhalten. Allerdings erfordern hohe Katodendrücke höhere Kompressorleistungen, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrads des Systems führt.
Um den Druck des Brennstoffzellensystems zu steuern, sind im Gebiet zwei Vorgehensweisen bekannt. Eine bekannte Vorgehensweise ist die Verwendung einer festen Öffnung am Katodenauslassausgang. Insbesondere für Hochtemperaturanwendungen ist die Katodenauslassöffnung so dimensioniert, dass sie ausreichend Gegendruck erzeugt, um die Anforderungen in Bezug auf relative Feuchtigkeit bei maximaler Systemtemperatur einzuhalten. Allerdings veranlasst die Auslassöffnung außerdem einen hohen Systemdruck bei niedriger Ausgangsleistung, so dass der Wir kungsgrad des Brennstoffzellensystems wegen der höheren parasitären Leistung des Kompressors leidet.
Für Niedertemperaturanwendungen, bei denen die Größe des Wärmeteilsystems nicht kritisch ist, ist die Katodenauslassöffnung so dimensioniert, dass sie einen Druckabfall von nahezu null liefert. Dies ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem mit niedrigen parasitären Kompressorverlusten läuft und somit über den gesamten Betriebsbereich einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Allerdings ist dieses Brennstoffzellensystem im Ergebnis des großen Kühlers, der zum Ausscheiden der minderwertigen Wärme erforderlich ist, groß.
Modellierungsergebnisse haben gezeigt, dass eine feste Öffnung die Strömung und den Druck des Katodenabgases verringern kann, ohne das Wärmeteilsystem zu überlasten. Während die Strömung und die Leistung eines Brennstoffzellen-Leistungsmoduls abnehmen, nimmt die Abwärmemenge, die der Kühler abzuleiten hat, ab. Die Abwärmemenge, die ein Kühler ableiten kann, ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Umgebungsluft. Der Wert wird häufig durch Q/ITD dargestellt, wobei Q die Abwärme und ITD die Anfangstemperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Luft ist. Kühler werden für ein maximales Q/ITD bei maximaler Leistung dimensioniert. Somit wird die Abwärmeanforderung gesenkt, während die Strömung und Leistung der Brennstoffzelle heruntergestellt werden, was es ermöglicht, die Betriebstemperatur zu senken. Dies ermöglicht, den Betriebsdruck zu senken.
1 ist eine graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem geforderten Kompressordruck auf der vertikalen Achse, die den möglichen Kompressorabgabedruck für ein Brennstoffzellensystem zeigt, das lediglich eine feste Öffnung zum Steuern des Systemdrucks verwendet. Die Graphenlinie 40 zeigt die Kennkurve des Systems für die Strömung in Abhängigkeit vom Druck für einen hohen Druckabfall an der festen Öffnung, während die Graphenlinie 42 die Kennkurve für die Strömung in Abhängigkeit vom Druck für einen Druckabfall von nahezu null bei der festen Auslassöffnung zeigt. Das Brennstoffzellensystem arbeitet unabhängig von der Betriebstemperatur des Systems auf einer der Graphenlinien 40 oder 42. Die Hochdruck-Graphenlinie 40 verschwendet Energie bei Teillastbedingungen, während die Niederdruck-Graphenlinie 42 die Feuchtigkeitsanforderungen nur bei niedrigen Temperaturen einhalten kann.
Eine weitere bekannte Vorgehensweise ist die Verwendung der aktiven Katodendrucksteuerung. Diese erfolgte in der Vergangenheit mit hoch auflösenden Steuerventilen. Diese hoch auflösenden Steuerventile bieten viele diskrete Ventilöffnungsstellungen oder eine analoge Steuerung, bei der die Fluidströmung durch das Ventil auf irgendeine gewünschte Stelle eingestellt werden kann. Die Stellung des Ventils wird durch die momentane Betriebstemperatur des Systems und durch die durch den Stapel erzeugte Wassermenge bestimmt, wobei berechnet wird, welcher Druck erforderlich ist, um eine relative Feuchtigkeit des Stapels von 110% zu liefern. Ferner muss eine Sicherheitsvorrichtung bereitgestellt werden, die verhindert, dass das Ventil in der geschlossenen Stellung ausfällt, was wegen des hohen Drucks zu einem katastrophalen Stapelausfall führen könnte. Obgleich diese Vorgehensweise eine gute Lösung bietet, die den Wirkungsgrad des Systems über seinen gesamten Betriebsbereich zu optimieren versucht, sind das Steuerventil und die Unterstützungs-Software teure Komponenten. Ferner ist dieses Niveau der Steuerung in der Mehrzahl der Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellensystems unnötig.
2 ist eine graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem geforderten Kompressordruck auf der vertikalen Achse, die die möglichen Kompressorabgabedrücke für ein Brennstoffzellensystem zeigt, das ein hoch aufgelöstes Rückschlagventil verwendet. Die Graphenlinie 44 zeigt, wie der Katodendruck unabhängig von der Strömung direkt gesteuert werden kann, um die gewünschte relative Feuchtigkeit zu liefern. Bei einem Betrieb bei konstanter niedriger Temperatur ist das Steuerventil weit geöffnet, so dass der Druckabfall am Katodenauslass nahezu null ist. Während die Strömung steigt, steigt auch die Systemtemperatur, wobei das Ventil systematisch geschlossen wird, um den gewünschten Brennstoffzellen-Gegendruck zu liefern und so die relative Feuchtigkeit zu steuern.
Bei Brennstoffzellensystemen, die ein hoch auflösendes Rückschlagsteuerventil besitzen, wird die Ventilstellung als eine Funktion der Kühlmitteltemperatur geändert, um die gewünschte relative Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Allerdings ist der Druckabfall über eine feste Öffnung eine Funktion der Fluidgeschwindigkeit, der Fluidviskosität und der Öffnungsform. Da die Öffnungsform nicht geändert werden kann, können der Katodendruck und die Strömungsgeschwindigkeit nicht unabhängig gesteuert werden. Falls die feste Öffnung so dimensioniert ist, dass sie die Feuchtigkeitsanforderungen bei der maximalen Temperatur, bei der maximalen Strömung und beim Punkt eines maximalen Q/ITD erfüllt, liefert sie ausreichend Feuchtigkeitssteuerung zum Herunterstellen. Der Minimaldruck, der erforderlich ist, um die gewünschte Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten, ist durch den Betrieb bei der minimalen Temperatur gegeben, die möglich ist, während beim Herunterstellen ein Zustand mit maximalem Q/ITD aufrechterhalten wird. Dieser geforderte Druck ist kleiner als der Druck, den der Druckabfall über eine feste Öffnung, die beim Maximalpunkt dimensioniert ist, beim Herunterstellen liefert.
Es wurde ein Systemmodel konstruiert, bei dem das maximal zulässige Q/ITD bei der maximalen Leistung und Strömung eingestellt ist. Während das Modul in Bezug auf Strömung und Leistung heruntergestellt wurde, wurde die Kühlmitteltemperatur lediglich so weit verringert, wie es möglich war, ohne dass das maximale Q/ITD überschritten wird. Daraufhin wurde die Gegendruckanforderung des Systems berechnet, um das geforderte Feuchtigkeitsniveau einzuhalten. Dies ergibt eine Strömung-Druckabfall-Kurve, die das Rückschlagventil benötigt, damit es den Grenzwert des maximalen Q/ITD nicht überschreitet. 3 ist eine graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem Rückschlagventil-Druckabfall auf der vertikalen Achse, wobei die Graphenlinie 46 diese Beziehung zeigt.
Das Modell wurde unter Verwendung einer Öffnung mit fester Fläche für die Gegendrucksteuerung erneut ausgeführt. Die Öffnung wurde anhand einer Öffnung mit scharfem Rand modelliert, die so dimensioniert war, dass sie bei der Bedingung maximaler Strömung und maximaler Temperatur die gewünschte Feuchtigkeit einhält. Der Druckabfall über eine Öffnung mit scharfem Rand ist proportional zum Quadrat der Fluidgeschwindigkeit. Unter dieser Annahme wurde unter Verwendung der Öffnung mit fester Fläche für das System eine Strömung-Druckabfall-Kurve erzeugt, wie sie durch die Graphenlinie 48 in 3 gezeigt ist. Diese Modellierung zeigt, dass der Druckabfall für die Öffnung mit fester Fläche die Druckabfallanforderungen zum Erreichen der gewünschten Feuchtigkeit bei Herunterstellpunkten im stationären Zustand einhält oder überschreitet. Die Öffnung mit fester Fläche veranlasst, dass die Brennstoffzelle bei Teillastbedingungen mit etwas Überdruck beaufschlagt wird, was eine etwas höhere als die optimale Feuchtigkeit ergibt. Dies veranlasst eine leichte Beeinträchtigung des Wirkungsgrads des Systems, verringert aber nicht die Haltbarkeit des Stapels. Falls der Druckabfall der festen Öffnung kleiner wäre als der, der zur Einhaltung des Q/ITD-Grenzwerts erforderlich ist, wäre die Feuchtigkeit niedriger als die geforderte, wobei der Stapel beschädigt werden könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Mitteln möglichst optimal die relative Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel einzustellen.
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein diskretes Zweistellungsventil an dem Katodenabgasausgang verwendet, um den Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu steuern. In einer Ausführungsform ist das diskrete Ventil zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Stellung umschaltbar, wobei die vollständig geöffnete Stellung verwendet wird, wenn das Brennstoffzellensystem bei einer niedrigen Betriebstemperatur arbeitet, während die vollständig geschlossene Stellung verwendet wird, wenn der Brennstoffzellenstapel bei einer hohen Betriebstemperatur arbeitet. Parallel zu dem diskreten Ventil ist ein festes Drosselventil vorgesehen, so dass die richtige Höhe des Gegendrucks an dem Katodenausgang geliefert wird, um die Anforderungen in Bezug auf relative Feuchtigkeit einzuhalten, wenn das diskrete Ventil geschlossen ist.
In einer weiteren Ausführungsform verwendet das diskrete Zweistellungsventil dimensionierte Durchlasswege, so dass ein Teil des Katodenabgases unter hohem Druck weiter durchströmen kann, wenn das diskrete Ventil in der geschlossenen Stellung ist. In dieser Ausführungsform ist das feste Drosselventil nicht erforderlich.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigt:
1 die bereits erwähnte graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem Kompressor druck auf der vertikalen Achse, die die Strömungs-Druck-Beziehung für ein Brennstoffzellensystem zeigt, das eine passive Gegendrucksteuerung unter Verwendung zweier verschiedener fester Öffnungen verwendet;
2 die bereits erwähnte graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem Kompressordruck auf der vertikalen Achse, die die Strömungs-Druck-Beziehung für ein Brennstoffzellensystem zeigt, das eine aktive Gegendrucksteuerung unter Verwendung eines hoch auflösenden Steuerventils verwendet;
3 die bereits erwähnte graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem Druckabfall über das Rückschlagventil auf der vertikalen Achse für ein Ventil mit einer Öffnung mit fester Fläche und scharfem Rand und für ein hoch auflösendes Rückschlagventil mit konstantem Q/ITD;
4 einen Blockschaltplan eines Brennstoffzellensystems, das ein diskretes Zweistellungsventil parallel zu einem Ventil mit fester Öffnung zum Steuern des Katodenabgasdrucks und der relativen Feuchtigkeit des Stapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
5 eine graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem Kompressordruck auf der vertikalen Achse, die die Strömungs-Druck-Beziehung für das in 4 gezeigte Brennstoffzellensystem zeigt; und
6 einen Blockschaltplan eines Brennstoffzellensystems, das ein diskretes Zweistellungssystem verwendet, das dimensionierte Durchlasswege zum Steuern des Katodenabgasdrucks und der relativen Feuchtigkeit des Stapels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das ein diskretes Zweistellungs-Katodenabgasventil verwendet, ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise beschränken.
4 ist ein Blockschaltplan eines Brennstoffzellensystems 10, das ein Brennstoffzellen-Leistungsmodul (FCPM) 12 verwendet, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Das System 10 enthält einen Kompressor 14, der eine Einlassluftströmung empfängt und die Luft auf einen Druck komprimiert, der geeignet ist, die geeignete Menge Luft durch das FCPM 12 anzusteuern, um die Leistungsabgabe des Systems 10 einzuhalten. Das FCPM 12 kann irgendein geeignetes FCPM für ein wie hier diskutiertes Brennstoffzellensystem sein, wobei seine Beschreibung für ein richtiges Verständnis der Erfindung nicht erforderlich ist.
Das FCPM 12 gibt ein Katodenabgas an eine Ausgangsleitung 16 ab. Das Katodenabgas wird parallel an ein diskretes Zweistellungsventil 18 und an ein festes Ventil 20 angelegt. Wenn das diskrete Ventil 18 geöffnet ist, ist der Druckabfall an dem Katodenabgasausgang so niedrig wie für das System 10 möglich, wenn das Abgas durch beide Ventile 18 und 20 strömen kann. Wenn das Ventil 18 geschlossen ist, tritt über die Öffnung des festen Ventils 20 ein stärkerer Druckabfall auf. Die Öffnung in dem festen Ventil 20 ist für den maximal erforderlichen Druckabfall bei maximaler Strömung und Betriebstemperatur dimensioniert, bei denen der Systemdruck ermöglicht, dass das System 10 die erforderlichen Anforderungen in Bezug auf relative Feuchtigkeit beim Betrieb bei hoher Temperatur einhält. Eine Steuereinheit 22 liefert ein Steuersignal, das das Ventil 18 je nach den Systemparametern einschließlich der Betriebstemperatur des Systems zur geeigneten Zeit öffnet oder schließt.
Wie hier diskutiert wurde, ist das diskrete Ventil 18 ein Zweistellungsventil. In einer Ausführungsform ist eine Stellung eine vollständig geöffnete Stellung, während die andere eine vollständig geschlossene Stellung ist. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Stellung eine vollständig geöffnete Stellung, während die andere Stellung eine zum größten Teil geschlossene Stellung ist, die eine minimale Strömung durch es liefert. Allerdings ist das diskrete Ventil 18 kein wie im Stand der Technik verwendetes anspruchsvolles Mehrstellungssteuerventil, das zwischen der vollständig geöffneten Stellung und der vollständig geschlossenen Stellung viele Ventilstellungen besitzt.
Die meiste Zeit arbeitet das Brennstoffzellensystem 10 bei niedriger Temperatur und erfordert somit einen niedrigen Gegendruck. In dieser Betriebsart ist das diskrete Ventil 18 in der geöffneten Stellung. Während die Systemlast steigt, werden die Wärmemanagementteilsysteme (das Systemkühlmittel) mit minderwertiger Abwärme gesättigt. Das Brennstoffzellensystem 10 kann die geforderte Abwärmemenge über das Wärmeteilsystem mit der niedrigen Betriebstemperatur ausscheiden. Wenn der Brennstoffzellenstapel das Wärmeteilsystem sättigt, steigt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels an. Wenn die Systemtemperatur über den Punkt hinaus ansteigt, an dem die gewünschte relative Feuchtigkeit des Stapels ohne Verwendung eines Systemgegendrucks nicht mehr erreicht werden kann, schließt die Steuereinheit 22 das diskrete Ventil 18. Dies drängt das Katodenabgas durch das feste Ventil 20, was veranlasst, dass der Brenn stoffzellendruck auf ein Niveau steigt, auf dem die Anforderungen an die relative Feuchtigkeit eingehalten werden.
5 ist eine graphische Darstellung mit der Katodeneinlass-Luftströmung auf der horizontalen Achse und mit dem geforderten Kompressordruck auf der vertikalen Achse, die die Steuerkurven sowohl für das diskrete Ventil 18 als auch für das feste Ventil 20 zeigt. Insbesondere folgt der Kompressordruck der Graphenlinie 26, während die momentane Abgabe steigt, wenn das System 10 bei niedriger Temperatur arbeitet und das Ventil 18 geöffnet ist. Bei dieser Niedertemperaturbetriebsart erreicht die Betriebstemperatur des Systems 10 schließlich eine Temperatur, bei der der Kühler die Abwärme nicht mehr entfernen kann, damit das System bei der gewünschten Temperatur arbeitet. Zu diesem Zeitpunkt schließt die Steuereinheit 22 das diskrete Ventil 18, wobei das System 10 in die Hochtemperaturbetriebsart umgeschaltet wird, wo der Druck erhöht wird, um die gewünschte relative Feuchtigkeit bei einer höheren Betriebstemperatur zu liefern, wie es durch die Graphenlinie 28 dargestellt ist.
Die Steuereinheit 22 enthält geeignete Software, die verhindert, dass das diskrete Ventil 18 auf instabile Weise hin- und hergeschaltet wird, wenn das System 10 die Temperatur erreicht, die veranlasst, dass das Ventil 18 geschlossen wird. Insbesondere wartet die Steuereinheit 22, wenn sie ein Ventilsteuersignal zum Umschalten des Ventils 18 liefert, wenigstens eine vorgegebene Zeitdauer, die ermöglicht, dass sich das System stabilisiert, bevor sie das Ventil 18 in die vorangehende Ventilstellung umschaltet. Diese kleine Hysterese sollte in die Steuerung des Umschaltpunkts für das Ventil 18 integriert sein. Beispielsweise kann das Ventil 18 bei 98% der vollen Nenndrehzahl des Lüfters geschlossen werden, falls durch die Drehzahl des Kühlerlüfters der Grenzwert des Wärmeteilsystems bestimmt wird. Das Ventil 18 könnte anhand von 95% der vollen Nenndrehzahl des Lüfters geöffnet werden. Dies verhindert, dass das Ventil 18 schnell geöffnet und geschlossen wird, während das System 10 an dem Übergangspunkt liegt.
6 ist ein Blockschaltplan eines Brennstoffzellensystems 32, das ähnlich dem oben diskutierten Brennstoffzellensystem 10 ist und bei dem gleiche Elemente durch das gleiche Bezugszeichen identifiziert sind, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind die Ventile 18 und 20 durch ein einziges Ventil 34 ersetzt worden, das ebenfalls ein diskretes Zweistellungsventil ist, in der geschlossenen oder Hochdruckstellung aber eine Strömung liefert. Wenn die Steuereinheit 22 abtastet, dass die Betriebstemperatur des FCPM 12 bei einer vorgegebenen Temperatur liegt und der Druck des FCPM 12 angehoben werden muss, um die gewünschte relative Feuchtigkeit zu erfüllen, liefert die Steuereinheit 22 ein Signal, um das Ventil 34 zu Schließen. Allerdings enthält das Ventil 34 weiter speziell dimensionierte Durchflussöffnungen, die ermöglichen, dass unter hohem Druck das Katodenabgas durch es in der gleichen Weise wie durch das feste Ventil 20 strömt.
Da die Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel des FCPM 12 plötzliche Druckänderungen nicht vertragen, werden die Ventile 18 und 34 durch die Steuereinheit 22 langsam geöffnet und geschlossen, um schnelle Druckänderungen in dem FCPM 12 zu verhindern. Falls sich die Ventile 18 und 34 zu schnell bewegen, kann die Störung an dem System 10 Luftsteuerfehler oder hohe Druckdifferenzen zwischen der Katoden- und der Anodenseite der Stapelmembran veranlassen. Ein Ventil mit einer Übergangszeit von 500 ms macht die Systemsteuerung genauer. Die Ventile 18 und 34 könnten einen Dämpfer enthalten, der mechanisch in das Ventil 18 oder 34 integriert ist, oder der Übergang könnte elektrisch ausgeführt werden. Falls er elektrisch erfolgt, könnte der Elektromagnet der Ventile 18 oder 34 mit hoher Induktivität hergestellt sein, so dass das Ventil verlangsamt wird, wenn der diskrete Ausgangstreiber der Steuereinheit umschaltet. Dies hilft außerdem, die elektromagnetische Verträglichkeit der Systeme 10 und 32 durch Verringern von di/dt zu reduzieren.
Die Verwendung der Zweistellungsventile 18 und 34 besitzt erhebliche Vorteile gegenüber den im Stand der Technik verwendeten hoch auflösenden Ventilen. Insbesondere kostet ein diskretes Magnetventil erheblich weniger als ein analoger Motor; kostet ein diskreter Ausgangstreiber erheblich weniger als ein analoger Treiber; beseitigt ein diskretes Ventil die Notwendigkeit einer Stellungsrückkopplung an dem Ventil; erfordert ein diskretes Ventil niedrigere Maschinentoleranzen, was es preiswerter in der Herstellung macht; und beseitigt ein diskretes Ventil die Notwendigkeit eines Drucksensors der Ausgangskatode des Stapels.
Außerdem schafft die Verwendung der diskreten Ventile 18 und 34 eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber den Systemen mit aktivem Gegendruck. Insbesondere hat das diskrete System verringerte Stellglied-Leistungsanforderungen, da das Ventil nicht mehr in der geöffneten Stellung zu sein braucht, wenn es ausfällt. Wenn die Ventile 18 und 34 in der geschlossenen Stellung ausfallen, wird das System beim Herunterfahren weiter zur Atmosphäre belüftet, wie es bei Brennstoffzellen erforderlich ist. Ferner besitzt das diskrete System mehr Entwurfsflexibilität, da es nicht notwendig eine Ausfallöffnungsfeder benötigt. Außerdem besitzt das diskrete System mehr Toleranz gegenüber Frost, da das Ventil keine vollständig geschlossene Dichtung benötigt, die bei Vereisung beschädigt werden kann.
Außerdem besitzt die vorliegende Erfindung gegenüber einem Brennstoffzellensystem mit einer Gegendrucköffnung niedrigere Systemkosten. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung eine verringerte Kompressormotorleistung und verringert somit die Größe und die Kosten des Motors und der Steuereinheit.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das ein Zweistellungsventil an dem Katodenabgasausgang zum Steuern des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel verwendet, um die relative Feuchtigkeit des Stapels zu steuern. In einer Ausführungsform ist das Zweistellungsventil zwischen einer vollständig geöffneten und einer vollständig geschlossenen Stellung umschaltbar, wobei das Ventil geöffnet wird, wenn das Brennstoffzellensystem bei einer niedrigen Betriebstemperatur arbeitet, während das Ventil geschlossen wird, wenn das Brennstoffzellensystem bei einer hohen Betriebstemperatur arbeitet. Parallel zu dem Zweistellungsventil ist ein festes Drosselventil vorgesehen, so dass an dem Katodenausgang die richtige Druckmenge geliefert wird, wenn das Zweistellungsventil vollständig geschlossen ist. In einer weiteren Ausführungsform verwendet das Zweistellungsventil dimensionierte Durchlasswege, so dass das Katodenabgas weiter durchströmen kann, wenn das Zweistellungsventil in der geschlossenen Stellung ist.

Claims

Brennstoffzellensystem (10; 32), das umfasst: einen Kompressor (14) zum Erzeugen einer Druckluftströmung; einen Brennstoffzellenstapel (12), der auf die Druckluftströmung reagiert und eine Katodenabgasströmung erzeugt; und ein Zweistellungsventil (18; 34), das auf die Katodenabgasströmung reagiert, wobei das Ventil (18; 34) geöffnet ist, falls die Betriebstemperatur des Systems unter einer vorgegebenen Temperatur liegt, während das Zweistellungsventil (18; 34) geschlossen ist, falls die Betriebstemperatur des Systems über die vorgegebene Temperatur steigt, so dass der Abgasgegendruck steigt, um eine Feuchtigkeitssteuerung zu liefern, gekennzeichnet durch ein festes Drosselventil (20), das auf die Katodenabgasströmung reagiert, wobei das feste Drosselventil (20) einen vorgegebenen Katodenabgasgegendruck liefert, wenn das Zweistellungsventil (18; 34) geschlossen ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Drosselventil (20) ein von dem Zweistellungsventil (18) getrenntes Ventil ist, das zu dem Zweistellungsventil (18) parallel geschaltet ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Drosselventil (20) Teil des Zweistellungsventils (34) ist und Durchlasswege durch das Zweistellungsventil (34) bereitstellt, wenn das Zweistellungsventil (34) geschlossen ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistellungsventil (34) Durchlasswege enthält, um zu ermöglichen, dass das Abgas durch es strömt, wenn das Zweistellungsventil (34) geschlossen ist.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (22), die die Stellung des Zweistellungsventils (18; 34) in Reaktion auf die Betriebstemperatur des Systems steuert.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) ein schnelles Umschalten des Zweistellungsventils (18; 34) verhindert.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistellungsventil (18; 34) eine verhältnismäßig lange Übergangszeit besitzt, um schnelle Änderungen zwischen der geöffneten und der geschlossenen Stellung zu verhindern
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistellungsventil (18; 34) eine Übergangszeit von etwa 500 ms besitzt.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Übergangszeit entweder durch einen mechanischen Dämpfer oder durch eine elektrische Steuerung geliefert wird.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Brennstoffzellensystem (10; 32) in einem Fahrzeug befindet.
System nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweistellungsventil (18; 34) eine erste Stellung besitzt, um am Katodenausgang einen niedrigen Gegendruck zu liefern, und eine zweite Stellung besitzt, um am Katodenausgang einen hohen Gegendruck zu liefern, wobei die Steuereinheit (22) das Zweistellungsventil (18; 34) in Reaktion auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung umschaltet, so dass der Brennstoffzellenstapel (12) die richtige relative Feuchtigkeit besitzt.
Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellensystem (10; 32), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen einer Druckluftströmung an einen Katodeneingang eines Brennstoffzellenstapels (12); und Steuern des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel (12) durch Steuern des Gegendrucks einer Katodenabgasströmung aus dem Brennstoffzellenstapel (12), wobei das Steuern des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel (12) das Lenken der Abgasströmung durch ein Zweistellungsventil (18; 34) umfasst, das eine erste Stellung besitzt, um einen niedrigen Gegendruck zu liefern, falls die Betriebstemperatur des Systems unter einer vorgegebenen Temperatur liegt, und eine zweite Stellung besitzt, um einen hohen Gegendruck zu liefern, falls die Betriebstemperatur des Systems über die vorgegebene Temperatur steigt, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel (12) ferner ein paralleles Lenken der Abgasströmung durch ein festes Drosselventil (20) umfasst, das auf die Katodenabgasströmung reagiert, wobei das feste Drosselventil (20) einen vorgegebenen Katodenabgasgegendruck liefert, wenn das Zweistellungsventil (18; 34) in der zweiten Stellung ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuern des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel (12) das Verhindern des schnellen Umschaltens des Zweistellungsventils (18; 34) zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung umfasst.