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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere
eine Steuerung des Betriebs von Brennstoffzellen auf Grundlage eines
Befeuchtungszustandes der Brennstoffzellen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Brennstoffzellen
werden als eine Energiequelle für
Elektrofahrzeuge, stationäre
Energieversorgungen und andere Anwendungen verwendet. Eine bekannte
Brennstoffzelle ist die PEM- (d.h. Protonenaustauschmembran)-Brennstoffzelle,
die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") umfasst, die einen
dünnen
Festpolymermembranelektroyt mit einer Anode auf einer Seite und
einer Kathode auf der entgegengesetzten Seite umfasst. Die MEA ist
schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente
angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, die
geeignete Kanäle
und Öffnungen
darin enthalten können,
um die gasförmigen
Reaktanden (d.h. H2 und O2/Luft)
der Brennstoffzelle über
die Oberflächen der
jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.
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PEM-Brennstoffzellen
umfassen eine Vielzahl der MEAs, die aneinander in elektrischer
Reihe gestapelt sind, während
sie voneinander durch ein undurchlässiges elektrisch leitendes
Kontaktelement getrennt sind, das als eine bipolare Platte oder Stromkollektor
bekannt ist. Bei einigen Typen von Brennstoffzellen besteht jede
bipolare Platte aus zwei separaten Platten, die aneinander mit einem Fluiddurchgang
dazwischen befestigt sind, durch den ein Kühlmittelfluid strömt, um Wärme von
beiden Seiten der MEAs zu entfernen. Bei andere Typen von Brennstoffzellen
umfassen die bipolaren Platten sowohl einzelne Platten als auch
aneinander befestigte Platten, die in einem sich wiederholenden
Muster angeordnet sind, wobei zumindest eine Fläche der MEA durch ein Kühlmittelfluid
gekühlt
wird, das durch die aus zwei Platten bestehenden bipolaren Platten strömt.
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Die
Brennstoffzellen werden auf eine Art und Weise betrieben, die die
MEAs in einem befeuchteten Zustand beibehält. Das Niveau der Feuchte
oder Befeuchtung der MEAs beeinflusst die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle. Eine zu feuchte MEA begrenzt die Leistungsfähigkeit
des Brennstoffzellenstapels. Genauer beeinträchtigt die Bildung von flüssigem Wasser
die Diffusion von Gas an die MEAs, wodurch deren Leistungsfähigkeit
beschränkt
wird. Das flüssige
Wasser wirkt auch als eine Strömungsblockierung,
die die Zellenströmung
reduziert und eine noch höhere
relative Feuchte der Brennstoffzelle bewirkt, die zu einer instabilen
Brennstoffzellenleistung führen
kann. Zusätzlich
kann die Bildung von flüssigem
Wasser in der Zelle einen erheblichen Schaden bewirken, wenn die
Zelle abgeschaltet und Frostbedingungen ausgesetzt wird. Dies bedeutet, wenn
die Brennstoffzelle nicht im Betrieb ist und die Temperatur in der
Brennstoffzelle unter den Gefrierpunkt abfällt, gefriert das flüssige Wasser
darin und dehnt sich aus, wodurch die Brennstoffzelle möglicherweise
beschädigt
wird. Eine zu trockene MEA beschränkt auch die Leistungsfähigkeit.
Genauer wird, wenn das Feuchteniveau abnimmt, der Protonenwiderstand
der MEA zunehmen (insbesondere nahe des Einlasses), was in zusätzlicher
Abwärme und
einer geringeren Produktion von Elektrizität resultiert. Ferner zeigen
Haltbarkeitsdaten auf, dass ein großer Wechsel des Feuchtigkeitsgehaltes
der MEA, der zu einem wiederholten Fluten und Aus trocknen der Membrane
führt,
zu einem erheblichen Verlust an Haltbarkeit aufgrund eines Anschwellens und
Schrumpfens der Membran führen
kann. Somit führen
wiederholte geflutete und trockene Betriebsbedingungen zu einem
Verlust an Gesamtwirkungsgrad und können die Haltbarkeit der MEA
der Brennstoffzelle verringern.
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Demgemäß ist es
vorteilhaft, den Betrieb der Brennstoffzelle auf eine Weise zu steuern,
die für
einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle sorgt und/oder eine
Beeinträchtigung
der Haltbarkeit der MEA und der Brennstoffzelle minimiert. Bisherige Steuerstrategien,
um den Betrieb der Brennstoffzelle zu managen, sind auf die Beibehaltung
einer relativen Feuchte des Kathodenabflusses auf einem konstanten
Niveau gerichtet worden. Derartige Strategien überwachen jedoch nicht den
Zustand der Befeuchtung der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels
(d.h. wie viel Wasserpuffer in der Membran, den Diffusionsmedien
und den Kanälen vorhanden
ist). Zusätzlich
managen die bisherigen Steuerstrategien nicht aktiv Prozessabweichungen, die
zu einem Austrocknen und Fluten der Brennstoffzelle und/oder des
Brennstoffzellenstapels führen können.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwacht
einen Befeuchtungszustand der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels
und steuert den Betrieb der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstapels
auf Grundlage des Befeuchtungszustandes. Die Änderungsrate des Befeuchtungszustandes
wird auch überwacht
und dazu verwendet, den Betrieb der Brennstoffzelle und/oder des
Brennstoffzellenstapels zu steuern. Es ist eine Aufsichtssteuerstrategie
implementiert, die die Betriebsparameter der Brennstoffzelle und/oder
des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage des Befeuchtungszustandes,
der Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes und eines gewünschten Betriebsgebietes für den Befeuchtungszustand ändert. Demgemäß managt
die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung aktiv Prozessabweichungen,
die zum Austrocknen und Fluten der Brennstoffzelle und/oder des
Brennstoffzellenstapels führen
können.
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Ein
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle gemäß dem Grundsatz der vorliegenden
Erfindung umfasst: (1) Überwachen
eines Befeuchtungszustandes der Brennstoffzelle; und (2) Einstellen
eines Betriebsparameters der Brennstoffzelle auf Grundlage des Befeuchtungszustandes.
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Bei
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel offenbart.
Das Verfahren umfasst: (1) Ermitteln eines gegenwärtigen Befeuchtungszustandes
des Brennstoffzellenstapels; (2) Ermitteln einer gegenwärtigen Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels; und (3) Einstellen
eines Betriebsparameters des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage
des gegenwärtigen
Befeuchtungszustandes und der gegenwärtigen Änderungsrate des Befeuchtungszustandes.
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Bei
einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart, das einen Brennstoffzellenstapel
aufweist, der dazu dient, einen durch einen Kathodenströmungspfad
strömenden Kathodenreaktanden
und einen durch einen Anodenströmungspfad
strömenden
Anodenreaktanden in elektrische Energie umzuwandeln. Das Verfahren umfasst:
(1) Ermitteln eines gegenwärtigen
Befeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels; (2) Ermitteln
einer gegenwärtigen Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels; (3) Vergleichen
des gegenwärtigen
Befeuchtungszustandes mit einem vorbestimmten Standard oder Gebiet;
(4) Bestimmen einer angestrebten relativen Feuchte des Kathodenabflusses
auf Grundlage des Vergleichs; und (5) Einstellen eines Betriebsparameters
des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der angestrebten relativen
Feuchte des Kathodenabflusses.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen,
dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie
die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und
den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellensystems
ist, bei dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung verwendet
werden kann;
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2 eine
schematische Darstellung der Überwachungsmethode
zum Managen des Befeuchtungszustandes eines Brennstoffzellenstapels
gemäß dem Grundsatz
der vorliegenden Erfindung ist; und
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3 ein
Flussschaubild ist, das die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter
Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw.
ihren Gebrauch zu beschränken.
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In 1 ist
ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 20 gezeigt, bei
dem die Steuerstrategie gemäß dem Grundsatz
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst
einen Brennstoffzellenstapel 22, der aus einer Vielzahl
von Brennstoffzellen 24 besteht, die benachbart zueinander
angeordnet sind, um einen Stapel 22 zu bilden. Die Brennstoffzellen 24 umfassen
Membranelektrodenanordnungen (MEAs), die voneinander durch elektrisch
leitende flüssigkeitsgekühlte bipolare
Separatorplatten getrennt sind. Die Brennstoffzellen 24,
die sich an den Enden des Stapels 22 befinden, sind zwischen
Anschlussplatten und Endkontaktfluidverteilungselementen angeordnet.
Die Endfluidverteilungselemente wie auch die Arbeitsflächen oder
-seiten jeder bipolaren Platte enthalten eine Vielzahl von Stegen
benachbart zu Nuten oder Kanälen
an den aktiven Seiten und bilden Strömungsfelder (Strömungspfade)
zur Verteilung von Anoden- und Kathodenreaktanden (d.h. H2 und O2/Luft) an
die MEAs. Gasdurchlässige
leitende Diffusionsmedien werden an die Elektrodenseiten der MEAs
und zwischen Endkontaktfluidverteilungselementen und Anschlusskollektorplatten
gepresst, um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der
Stapel während
normaler Betriebsbedingungen komprimiert wird.
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Ein
Kathodenreaktand, in diesem Fall in der Form von Luft, wird an das
Kathodenströmungsfeld des
Brennstoffzellenstapels 22 über einen Kompressor 26 und
eine Kathodenversorgungsverrohrung 28 geliefert. Alternativ
dazu kann der Kathodenreaktand von einem Druckspeichertank (nicht
gezeigt) geliefert werden. Das Kathodenreaktandengas strömt von dem Kompressor 26 durch
eine Befeuchtungsvorrichtung 30, in diesem Fall in der
Form einer Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Vorrichtung,
in der das Kathodenreaktandengas befeuchtet wird. Das Kathodenreaktandengas
strömt
dann durch einen optionalen Wärmetauscher 32,
in dem das Kathodenreaktandengas vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 22 nach
Bedarf erhitzt oder gekühlt
werden kann.
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Das
Kathodenreaktandengas strömt
dann durch die Kathodenreaktandenströmungsfelder (Kathodenströmungspfad)
des Brennstoffzellenstapels 22 und verlässt den Brennstoffzellenstapel 22 in
der Form von Kathodenabfluss über
die Kathodenaustragsverrohrung 34. Der Kathodenabfluss
wird durch die WVT-Vorrichtung 30 geführt.
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In
der WVT-Vorrichtung 30 wird Feuchte von dem Kathodenabflussstrom
an das an den Brennstoffzellenstapel 22 zu liefernde Kathodenreaktandengas übertragen.
Der Betrieb der WVT-Vorrichtung 30 kann eingestellt werden,
um verschiedene Niveaus einer Wasserdampfübertragung zwischen dem Kathodenabflussstrom
und dem Kathodenreaktandenstrom vorzusehen.
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Ein
Anodenreaktand in der Form von Hz wird an die Anodenströmungsfelder
(Anodenströmungspfad)
des Brennstoffzellenstapels 22 über eine Anodenversorgungsverrohrung 36 geliefert.
Ein Anodenreaktandengas kann von einem Speichertank, einem Methanol-
oder Benzinreformer oder dergleichen geliefert werden. Der Anodenreaktand
strömt
durch den Anodenreaktandenströmungspfad
und verlässt
den Brennstoffzellenstapel 22 in Form von Anodenabfluss über eine
Anodenaustragsverrohrung 38.
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Kühlmittel
wird an den Kühlmittelströmungspfad
in dem Brennstoffzellenstapel 22 über eine Kühlmittelversorgungsverrohrung 40 geliefert
und von dem Brennstoffzellenstapel 22 über eine Kühlmittelaustragsverrohrung 42 entfernt.
Das durch den Brennstoffzellenstapel 22 strömende Kühlmittel
entfernt Wärme,
die darin durch die Reaktion zwischen den Anoden- und Kathodenreaktanden
erzeugt wird. Das Kühlmittel
kann auch die Temperatur des Kathodenreaktanden und/oder des Kathodenabflusses steuern,
wenn dieser durch den Kathodenreaktandenströmungspfad in dem Brennstoffzellenstapel 22 strömt. Optional
dazu kann das Kühlmittel
vor Eintreten in den Brennstoffzellenstapel 22 durch den
Wärmetauscher 32 strömen, wodurch
die Temperatur des Kathodenreaktandengases und des Kühlmittels vor
Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 22 ausgeglichen
wird. Auf diese Weise kann die Temperatur des in den Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenreaktanden
auf einen gewünschten
Einstellpunkt gesteuert werden. Das Kühlmittel und der Kathodenreaktand
gleichen sich in dem Brennstoffzellenstapel 22 sehr schnell
auf dieselbe Temperatur aus. Demgemäß ist die Temperatur des Kathodengases
im Wesentlichen gleich der Temperatur des Kühlmittels, wenn die Strömungen durch
den Brennstoffzellenstapel 22 strömen.
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Ein
Controller 46 kommuniziert mit den verschiedenen Komponenten
des Brennstoffzellensystems 20, um deren Betrieb zu steuern
und zu koordinieren. Beispielsweise kommuniziert der Controller 46 mit
dem Kompressor 26, um die stöchiometrische Menge von an
den Brennstoffzellenstapel 22 gelieferten Kathodenreaktand
zu steuern. Der Controller 46 kommuniziert auch mit der
WVT-Vorrichtung 30, um die Befeuchtung des in den Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenreaktanden
zu steuern. Der Controller 46 kommuniziert mit dem Wärmetauscher 32,
um die Temperatur des in den Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenreaktanden
zu steuern. Der Controller 46 kommuniziert auch mit dem Kühlmittelversorgungssystem,
um den Durchfluss von Kühlmittel
durch den Brennstoffzellenstapel 22 und auch die Temperatur
des Kühlmittels
zu steuern, das durch den Brennstoffzellenstapel 22 geführt wird. Der
Controller 46 kommuniziert auch mit dem Versorgungssystem
für Anodenreaktand,
um die Menge von an den Brennstoffzellenstapel 22 geliefertem
Anodenreaktand zu steuern.
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Der
Controller 46 kann ein einzelner Controller sein oder kann
mehrere Controller umfassen, deren Wirkungen koordiniert werden,
um einen gewünschten
Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 20 vorzusehen.
Ferner kann der Controller 46 nach Bedarf ein oder mehrere
Module umfassen, um die angegebene Funktionalität vorzusehen. Der hier verwendete
Begriff "Modul" betrifft eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen
Prozessor (geteilt, zweckgebunden oder Gruppe) und Speicher, die
ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine
Schaltung für
kombinatorische Logik oder andere geeignete Komponenten, die die
gewünschte
Funktionalität
vorsehen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Strategie zur Steuerung des Befeuchtungszustandes
oder Feuchtigkeitsgehaltes der Membrane und anderer weicher Teile
der Brennstoffzellen 24 in dem Brennstoffzellenstapel 22 vor.
Die gewünschten
Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 22 und
des Brennstoffzellensystems 20 sind typischerweise in Bezug
auf Intervalle von Prozessbedingungen definiert, wie Druck, Temperatur,
Stöchiometrie
und die relative Feuchte in dem Stapel. Der resultierende Multivariablenraum
(Betriebsbedingungsraum oder OCS) definiert die normale Betriebsgrenze
im stabilen Zustand, die in der besten Leistungsfähigkeit
und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 22 resultiert. Ein Übergangsbetrieb
resultiert oftmals in Stapelbedingungen außerhalb des OCS, was in einem
Austrocknen oder Befeuchten des Stapels, der Membran und der weichen
Teile resultiert. Beispielsweise bewirkt das Fallen der Temperatur unter
die OCS-Grenze eine Verringerung der Wasseraufnahmekapazität des Kathodenabflusses
und resultiert schließlich
in einer Wasseransammlung in dem Brennstoffzellenstapel 22,
was zu einem Fluten des Stapels führt. Ähnlicherweise bewirkt ein Temperaturanstieg über die
OCS-Grenze, dass
mehr Wasser über
den Kathodenabfluss entfernt wird, als durch die Reaktion erzeugt
wird, und führt
zu einem Austrocknen der Membran. Ähnliche Abweichungen des Drucks,
der Stöchiometrie
wie auch der den Einlass betreffenden relativen Feuchte des Kathodenreaktanden
oder eine beliebige Kombination können ebenfalls zum Fluten oder
Austrocknen des Brennstoffzellenstapels 22 führen. Wie
oben beschrieben ist, können
sowohl Flutungs- als auch Austrocknungsbedingungen zu einem Verlust
an Leistungsfähigkeit
des Brennstoffzellenstapels 22 führen. Überdies ist gezeigt worden, dass
der Wechsel zwischen diesen Bedingungen einen nachteiligen Einfluss
auf die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 22 aufgrund
eines Anschwellens und Schrumpfens der Membran hat.
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Es
wird erwartet, dass Abweichungen außerhalb der OCS-Grenze in einem
realen System aufgrund dynamischer Beschränkungen von Komponenten beim
Verfolgen des Lastprofils bei einem typischen Betriebszyklus auftreten.
Der Verlust an Leistungsfähigkeit
und Haltbarkeit ist nicht direkt auf die Abweichungen in den Prozessbedingungen
zurückzuführen, sondern
vielmehr auf den Effekt, den Abweichungen in den Prozessbedingungen
auf die Wasseransammlung oder -rückhaltung
in dem Stapel haben. Um dies zu berücksichtigen, verwendet die vorliegende
Erfindung eine Aufsichtssteuerstrategie, die den Befeuchtungszustand
("state of hydration" oder SOH) des Brennstoffzellenstapels 22 überwacht und
den gewünschten
Einstellpunkt für
die relative Feuchte des Stapels managt, um die Rückhaltung des
Wassers in den Membranen des Brennstoffzellenstapels 22 in
einem optimalen Gebiet zu halten.
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In 2 ist
eine schematische Darstellung der Aufsichtsschleife gezeigt, die
von dem Controller 46 verwendet wird, um den Betrieb des
Brennstoffzellenstapels 22 und des Brennstoffzellensystems 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung zu steuern. Die Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 22 werden
durch verschiedene Sensoren überwacht, und
die Ausgabe von diesen Sensoren wird an ein Rückhaltebeobachtungsmodul 50 geliefert.
Beispielsweise werden die Einlass- und Auslassdrücke des Kathodengases, das
in den Kathodenströmungspfad/aus
dem Kathodenströmungspfad
strömt,
die Einlass- und Auslasskühlmitteltemperaturen,
die stöchiometrischen
Mengen (ST) des Kathoden- und Anodenreaktanden, die in den Brennstoffzellenstapel 22 strömen, und
die relative Feuchte des Kathoden- und Anodenreaktanden, die in
den Brennstoffzellenstapel 22 strömen, an ein Rückhaltebeobachtungsmodul 50 geliefert.
Das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 verwendet
eine Schätzfunktion
für den
Befeuchtungszustand und bestimmt auch die Änderungsrate des Befeuchtungszustandes,
die dazu verwendet wird, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 einzustellen
oder zu steuern, um die gewünschte Leistungsfähigkeit
vorzusehen. Auf Grundlage des Befeuchtungszustandes und der Änderungsrate
bestimmt das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 einen Zieleinstellpunkt
für die
relative Feuchte des Kathodenabflusses, wie nachfolgend beschrieben
ist.
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Der
Brennstoffzellenbefeuchtungszustand (SOH) ist ein Maß der Gesamtwasseraufnahme
(Mw) in der Brennstoffzelle, die Wasser
in der Membran und den Diffusionsmedien umfasst. Die Membranbefeuchtung
wird als das Verhältnis
von Wassermolekülen
pro Sulfongruppe (λ)
in einer Nafionmembran definiert, die in einer PEM-Brennstoffzelle
verwendet wird. Veränderungen
im λ beeinflussen
die Protonenleitfähigkeit
der Membran und können über einen Hochfrequenzwiderstand
(HFR) des Brennstoffzel lenstapels 22 gemessen werden. Das
Ausmaß der Wasserrückhaltung
in dem Diffusionsmedium (DM) ist als Θ definiert. Der Parameter Θ ist ein
Maß der Menge
an Wasser in dem DM relativ zu der maximalen Menge an Wasseraufnahme
in dem DM und nimmt einen Wert zwischen 0 und 1 an. Die Wasserrückhaltung
in dem Diffusionsmedium beginnt nur, nachdem die Membran vollständig gesättigt ist,
d.h. λ = λmax,
wobei λmax durch die Materialeigenschaft (wie der
Dichte der Sulfonsäuren)
der Membran bestimmt ist. Mit anderen Worten ist Θ nur dann
größer 0, wenn λ = λmax,
und λ ist
nur dann kleiner als λmax, wenn Θ = 0. Somit kann die Änderung
der partiellen Befeuchtung der Membran über den HFR des Brennstoffzellenstapels 22 detektiert
und geschätzt
werden. Wenn jedoch die Membran mit Wasser geflutet ist und die Wasseransammlung
in dem Diffusionsmedium und/oder in den Kanälen der Brennstoffzellen 24 auftritt,
ist das HFR-Signal nicht in der Lage, Änderungen im λ zu messen.
Mit anderen Worten gibt das HFR-Signal keine Änderungen mehr an, die in λ auftreten,
sobald die Membran geflutet worden ist. Demgemäß kann die HFR-Messung während bestimmter Betriebsbedingungen
verwendet werden, um einen Befeuchtungszustand oder ein Maß von λ zu bestimmen,
das dazu verwendet werden kann, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 und
des Brennstoffzellensystems 20 zu steuern, wie nachfolgend
detaillierter beschrieben ist. Die Messung von HFR ist detailliert
in dem U.S. Patent Nr. 6,376,111 mit dem Titel "System and Method for Controlling the
Humidity Level of a Fuel Cell" erläutert, deren
Offenbarung hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Das
Rückhaltebeobachtungsmodul 50 ist
in der Lage, einen Befeuchtungszustand der Brennstoffzellenmembran
zu schätzen
und eine Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes als eine Funktion der Zeit zu schätzen. Der
geschätzte
Befeuchtungszustand kann auf eine Anzahl von Wegen bestimmt werden,
wie nachfolgend beschrieben ist. Die geschätzte Änderungsrate des Befeuchtungszustandes
wird unter Verwendung einer Formel berechnet, die das Wasser, das
in den Brennstoffzellenstapel 22 hinein strömt, das
Wasser, das in dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt wird,
und das Wasser berücksichtigt,
das aus dem Brennstoffzellenstapel 22 heraus strömt, wie
nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Auf Grundlage des geschätzten Befeuchtungszustandes
und der geschätzten Änderungsrate des
Befeuchtungszustandes wird ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 eingestellt,
um eine optimale oder gewünschte
Betriebsleistungsfähigkeit vorzusehen.
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Während des
Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22 ist eine Anfangsschätzung oder
-bestimmung des Befeuchtungszustandes der Membrane in dem Brennstoffzellenstapel 22 erforderlich.
Dieser Anfangsbefeuchtungszustand kann auf eine Vielzahl von Arten
bestimmt werden. Ein erste Vorgehensweise zur Bestimmung des Anfangsbefeuchtungszustandes
basiert auf einem vorhergehenden Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22.
Genauer wird während
eines vorhergehenden Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22 die
Abschaltvorgehensweise, die dazu verwendet wird, den Betrieb des
Brennstoffzellenstapels 22 zu beenden, so gesteuert, um
einen gewünschten
Endbefeuchtungszustand für
den Brennstoffzellenstapel vorzusehen. Dieser Endbefeuchtungszustand
wird dann als der Anfangsbefeuchtungszustand für den Brennstoffzellenstapel 22 bei
einem nachfolgenden Betriebsstart verwendet. Der Befeuchtungszustand
des Brennstoffzellenstapels 22 dürfte sich während der Periode außer Betrieb
nicht ändern,
da keine Gasströmung
durch die Anoden- und Kathodenströmungsfelder stattfindet.
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Eine
zweite Weise zur Bestimmung des Anfangsbefeuchtungszustandes erfolgt
durch Messen der HFR des Brennstoffzellenstapels 22 anfänglich beim
Start. Das Maß der
HFR gibt den Befeuchtungszustand an und erzielt somit einen Anfangsbefeuchtungszustand,
der verwendet werden kann, wenn der Brennstoffzellenstapel gestartet
wird. Es sei jedoch angemerkt, dass dieses Verfahren nur anwendbar ist,
wenn sich der Brennstoffzellenstapel 22 in einem nicht
gefluteten Zustand befindet. Wenn demgemäß der Brennstoffzellenstapel
anfänglich
einen Betrieb in einem gefluteten Zustand beginnt, ist die Verwendung
einer HFR-Messung, um den Anfangsbefeuchtungszustand zu bestimmen,
nicht durchführbar.
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Eine
dritte Weise zum Bestimmen des Anfangsbefeuchtungszustandes besteht
darin, zu erlauben, dass der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 unter
Bedingungen beginnt, die nach einer kurzen Zeitperiode (beispielsweise
5 – 10
Sekunden) zu einem Fluten des Stapels führen würden. Dieser Anfangsbefeuchtungszustand
wird mit 100 % angenommen, was einem gefluteten Zustand entspricht.
Die Verwendung einer derartigen Annahme ist nicht zu weit weg von
einem tatsächlichen
Maß des
Befeuchtungszustandes und kann demgemäß dazu verwendet werden, den
Anfangsbefeuchtungszustand zu bekommen. Wenn dieses Verfahren verwendet
wird, reduziert ein fortgesetzter Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 typischerweise
den Befeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels 22 und
weicht von dem gefluteten Zustand ab.
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Somit
ist das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 in
der Lage, einen Anfangsbefeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels 22 durch
entweder einen vorhergehenden Befeuchtungszustand bei Abschaltung,
ein Maß der
HFR oder durch Annahme des gefluteten Zustandes und eines anfänglichen
SOH von 100 % zu bestimmen.
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Wenn
der anfängliche
Befeuchtungszustand ermittelt ist, kann das Rückhaltebeobachtungsmodul
50 fortfahren,
den Befeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels
22 beim
Betrieb zu überwachen. Genauer
berechnet das Rückhaltebeobachtungsmodul
50 eine Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes und verwendet diese Änderungsrate, um den Befeuchtungszustand
des Brennstoffzellenstapels
22 dynamisch einzustellen,
wie nachfolgend beschrieben ist. Die Änderungsrate des Befeuchtungszustandes
kann unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:
wobei:
- Mw
- = Rückhaltung
des Wassers in der Brennstoffzelle [Mole/Zelle];
- x w / in
- = Molenbruch von Wasser
in dem Einlasskathodenreaktandenstrom (Funktion der den Einlass
betreffenden relativen Feuchte);
- n a / in
- = molarer Durchfluss
von Kathodenreaktand auf einer Trockenbasis an dem Einlass [Mole/Zelle];
- jA
- = Stromdichte·Fläche der
Brennstoffzelle (Gesamtstrom) [Ampere];
- F
- = Faradaysche Konstante
[Mol e–/Amp];
- x w / out
- = Molenbruch von Wasser
in Kathodenabfluss (Funktion der den Auslass betreffenden relativen
Feuchte); und
- n a / out
- = molarer Durchfluss
von Kathodenabfluss auf einer Trockenbasis [Mol/Sekunde].
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Der
erste Term der Gleichung (1) auf der rechten Seite erfasst das Wasser,
das mit dem Kathodenreaktand in den Brennstoffzellenstapel 22 eintritt,
der mittlere Term erfasst das Wasser, das in den Brennstoffzellen 24 und
dem Brennstoffzellenstapel 22 während des Betriebs erzeugt
wird, und der dritte Term erfasst das Wasser, das den Brennstoffzellenstapel 22 in
dem Kathodenabfluss verlässt.
Durch Verwendung der Gleichung (1) kann das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 die Änderungsrate
der Gesamtwasserrückhaltung
in der Brennstoffzelle oder mit anderen Worten den Befeuchtungszustand
bestimmen. Es sei angemerkt, dass Mw die
Summe von Wasser in der Membran (Funktion von λ) und Wasser in dem Diffusionsmedium
(Funktion von Θ)
ist.
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Das
Rückhaltebeobachtungsmodul
50 verwendet
den unmittelbar vorhergehenden Befeuchtungszustand in Verbindung
mit der unmittelbar vorhergehenden Änderungsrate des Befeuchtungszustandes,
um den gegenwärtigen
Befeuchtungszustand für
den Brennstoffzellenstapel
22 zu bestimmen. Genauer kann
die folgende Gleichung dazu verwendet werden, den gegenwärtigen Befeuchtungszustand
zu bestimmen:
wobei
- tn
- = gegenwärtige Zeit
von Interesse, um eine Bestimmung durchzuführen;
- tn-1
- = vorhergehende Zeit,
zu der eine Bestimmung durchgeführt
wurde; und
- tn – tn-1
- = vergangene Zeit
zwischen Bestimmungen.
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Somit
kann durch Verwendung der vorher bestimmten Wasseraufnahme in der
Brennstoffzelle, der vorher bestimmten Änderungsrate der Wasseraufnahme
in der Brennstoffzelle und des Zeitintervalls zwischen den verschiedenen
Bestimmungen und der gegenwärtigen
Zeit von Interesse der gegenwärtige
Befeuchtungszustand bestimmt werden.
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Das
Rückhaltebeobachtungsmodul 50 kann bei
bestimmten Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 22 die
Bestimmung des Befeuchtungszustandes verifizieren. Genauer kann
bei Perioden, wenn die Membran weniger als 100 % befeuchtet ist,
das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 ein
Maß der
HFR des Brennstoffzellenstapels 22 verwenden, um den bestimmten
Befeuchtungszustand zu verifizieren. Wie oben beschrieben wurde,
steht die HFR-Messung direkt in Korrelation mit dem Befeuchtungszustand
der Membran, wenn die Membran weniger als 100 % befeuchtet ist.
Somit kann bei Perioden, wenn der Brennstoffzellenstapel 22 in
einem nicht gefluteten Zustand arbeitet, das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 den
tatsächlichen
Befeuchtungszustand auf Grundlage des HFR bestimmen und den berechneten
Befeuchtungszustand auf Grundlage der Gleichung (2) korrigieren.
Dieser korrigierte Befeuchtungszustand wird in einer zukünftigen
Bestimmung des Befeuchtungszustandes zu der nächsten Periode von Interesse
verwendet. Somit kann der geschätzte
Befeuchtungszustand rückgesetzt
oder eingestellt werden, sobald die Bedingungen zu einer teilweisen
Befeuchtung der Membran führen,
und der HFR kann gemessen werden.
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Das
Rückhaltebeobachtungsmodul 50 vergleicht
den ermittelten Befeuchtungszustand mit einem vorbestimmten Standard
oder Gebiet des gewünschten
Befeuchtungszustandes für
den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22. Auf Grundlage
dieses Vergleichs kann eine Korrekturwirkung durchgeführt werden,
um den Befeuchtungszustand innerhalb des vorbestimmten Standards
oder Bereichs beizubehalten oder zu erreichen, wie nachfolgend detaillierter
beschrieben ist. Das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 ermittelt
einen Zieleinstellpunkt für
die relative Feuchte für
den Kathodenabfluss, der den Brennstoffzellenstapel 22 verlässt, auf
Grundlage des Befeuchtungszustandes und der Änderungsrate des Befeuchtungszustandes
relativ zu dem vorbestimmten Standard oder Gebiet. Das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 verwendet
einen PI-Algorithmus oder einen PID-Algorithmus, um den Zieleinstellpunkt
der relativen Feuchte für
den Kathodenabfluss zu bestimmen. Der Algorithmus berücksichtigt,
wie eng sich der Befeuchtungszustand an dem vorbestimmten Standard
oder Gebiet befindet. Der Algorithmus berücksichtigt auch die Rate, mit
der der Befeuchtungszustand wechselt, und die Richtung, in der der
Befeuchtungszustand wechselt, bei der Bestimmung des Einstellpunktes
der relativen Feuchte.
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Wenn
der gegenwärtige
Befeuchtungszustand sich einer oberen oder unteren Grenze des gewünschten
Betriebsbereiches annähert,
kann die Korrekturwirkung abhängig
von der Änderungsrate des
Befeuchtungszustandes und der Richtung, in der sich der Befeuchtungszustand ändert, drastischer werden.
Wenn beispielsweise der Befeuchtungszustand sich in Richtung der
oberen Grenzen annähert und
die Änderungsrate
angibt, dass der Befeuchtungszustand weiterhin zunimmt, kann eine
drastischere Korrekturwirkung unternommen werden, als, wenn die Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes angibt, dass der Befeuchtungszustand abnimmt. Zusätzlich kann
der angestrebte Einstellpunkt der relativen Feuchte für den Kathodenabfluss
auch das gegenwärtige
Betriebsleistungsniveau des Brennstoffzellenstapels 22 berücksichtigen.
Wenn beispielsweise ein Betrieb mit hoher Stromdichte erfolgt, kann
ein niedrigerer Einstellpunkt der relativen Feuchte aufgrund des
Ungleichgewichtes der Feuchte zwischen der MEA und dem Kathodengas
in dem Kathodenströmungspfad
angestrebt werden. Umgekehrt kann während eines Betriebs mit niedriger
Leistung ein höherer
Einstellpunkt der relativen Feuchte aufgrund dessen angestrebt werden,
dass die Membranfeuchte näher
an der relativen Feuchte des Kathodengases in den Strömungskanälen liegt.
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Der
spezifische Algorithmus, der von dem Rückhaltebeobachtungsmodul 50 verwendet
wird, variiert abhängig
von der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 22 und
des Brennstoffzellensystems 20. Beispielsweise können verschiedene Brennstoffzellenstapel
und/oder Brennstoffzellensysteme Komponenten besitzen, die verschiedene
dynamische Beschränkungen
und Ansprechen beim Verfolgen der Lastprofile in einem typischen
Antriebszyklus für
das Brennstoffzellensystem und/oder den Stapel besitzen. Zusätzlich können der
Brennstoffzellenstapel und/oder das Brennstoffzellensystem abhängig von
ihrer Verwendung auch verschiedene vorstellbare Antriebszyklen besitzen,
die ebenfalls die gewählten
Algorithmen beeinflussen können. Wenn
beispielsweise der Brennstoffzellenstapel 22 als eine stationäre Energieversorgung
verwendet wird, kann die Leistungsanforderung relativ konstant sein.
Im Gegensatz dazu kann, wenn der Brennstoffzellenstapel an einem
Fahrzeug verwendet wird, die Leistungsanforderung äußerst dynamisch
und konstant wechselnd sein. Diese verschiedenen Typen von Brennstoffzellenstapeln
können
verschiedene dynamische Charakteristiken besitzen, um einen gewünschten
Betrieb zu erreichen, und erfordern demgemäß verschiedene Steueralgorithmen,
um den Befeuchtungszustand innerhalb eines gewünschten Intervalls oder Gebiets
zu halten.
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Als
eine Alternative zur Verwendung eines PI- oder PID-Regelalgorithmus
kann das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 ein
Nachschlagetabellenmodul 52 verwenden, um den geeigneten
Einstellpunkt der relativen Feuchte für den Kathodenabfluss, der den
Brennstoffzellenstapel 22 verlässt, auf Grundlage des Befeuchtungszustandes,
der Änderungsrate des
Befeuchtungszustandes und des vorbestimmten Standards oder Gebiets
für den
Befeuchtungszustand zu bestimmen. Das Nachschlagetabellenmodul 52 enthält verschiedene
Tabellen, die einen geeigneten Einstellpunkt der relativen Feuchte
für den Kathodenabfluss
auf Grundlage der Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 22 vorsehen,
die den gegenwärtigen
Befeuchtungszustand und die gegenwärtige Änderungsrate des Befeuchtungszustandes umfassen.
Die Daten in den Nachschlagetabellen basieren auf empirischen Daten,
die aus einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 oder
eines äquivalenten
Brennstoffzellenstapels erhalten wurden. Somit sieht die Nachschlagetabelle
den gewünschten
Einstellpunkt der relativen Feuchte für den Kathodenabfluss vor.
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Das
Rückhaltebeobachtungsmodul 50 liefert den
Zieleinstellpunkt der relativen Feuchte für den Kathodenabfluss an ein
Steueralgorithmusmodul 54 für die relative Feuchte. Das
Steueralgorithmusmodul 54 ermittelt geeignete Änderungen/Einstellungen für die Betriebsparameter
(wie Kathodendruck ein/aus, Kühlmitteltemperatur
ein/aus, Kathodenstöchiometrie
und relative Feuchte des Kathodeneinlasses) des Brennstoffzellenstapels 22,
um den angestrebten Einstellpunkt der relativen Feuchte für den Kathodenabfluss
zu erreichen. Der angestrebte Einstellpunkt der relativen Feuchte
und die Einstellungen, um den angestrebten Einstellpunkt der relativen Feuchte
zu erfüllen,
sind dazu bestimmt, einen Befeuchtungszustand in dem Brennstoffzellenstapel 22 zu
erreichen, der mit dem vorbestimmten Standard oder Gebiet übereinstimmt
oder in diesem liegt, der/das einen gewünschten Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 vorsieht.
Die Änderungen
und Einstellungen berücksichtigen
auch die an den Brennstoffzellenstapel 22 angelegte Leistungsanforderung.
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Das
Steueralgorithmusmodul 54 für die relative Feuchte sendet
die geeigneten Änderungen/Einstellungen
an den Betriebsparametern an ein Modul 58 mit Subsystemcontrollern.
Das Modul 58 mit Subsystemcontrollern dient dazu, die Aktuatoren und/oder
Komponenten des Brennstoffzellenstapels 22 einzustellen,
um die geeigneten Änderungen/Einstellungen
an den Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels zu bewirken.
Beispielsweise kann das Modul 58 mit Subsystemcontrollern
die Rate des durch den Brennstoffzellenstapels 22 strömenden Kühlmittels
und die Temperatur steuern, mit der das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel
eintritt und diesen wieder verlässt.
Ferner kann das Modul 58 mit Subsystemcontrollern den Betrieb
des Kompressors 26 steuern, um Einstellungen an der stöchiometrischen
Menge des in den Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenreaktanden
zu ermöglichen. Das
Modul 58 mit Subsystemcontrollern kann auch den Druckabfall,
der durch den Kathodenströmungspfad
auftritt, durch Einstellen des Betriebs des Kompressors 26 oder
verschiedener Ventile oder Druckregler (nicht gezeigt) in dem Kathodenströmungspfad einstellen.
Das Modul 58 mit Subsystemcontrollern kann auch den Betrieb
der WVT-Vorrichtung 30 steuern, um die relative Feuchte
des in den Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenreaktanden
einzustellen. Das Modul 58 mit Subsystemcontrollern kann auch
den Betrieb eines optionalen Wärmetauschers 32 steuern,
um eine gewünschte
Einlasstemperatur für
den Kathodenreaktand vorzusehen. Demgemäß kann das Modul 58 mit
Subsystemcontrollern verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 22 einstellen.
Ein Steueralgorithmusmodul 54 steht mit dem Modul 58 mit
Subsystemcontrollern in Verbindung, um eine Eingabe vorzusehen,
die das Modul 58 mit Subsystemcontrollern dazu verwendet, die
Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 22 einzustellen
und damit den angestrebten Einstellpunkt der relativen Feuchte und
den gewünschten Befeuchtungszustand
zu erreichen.
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Demgemäß überwacht
in der Aufsichtssteuerschleife der vorliegenden Erfindung das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 die
Prozessbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel 22, bestimmt
einen Befeuchtungszustand (Rückhaltung
von Wasser) in dem Stapel zusammen mit der Änderungsrate des Befeuchtungszustandes
und bestimmt einen Zieleinstellpunkt der relativen Feuchte für den Kathodenabfluss.
Wenn sich der Befeuchtungszustand einem gewünschten Einstellpunkt oder
oberen Gebietswert annähert
und/oder darüber
hinaus ansteigt, wird der Zieleinstellpunkt der relativen Feuchte
für den
aus dem Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenabfluss verringert.
Wenn sich der Befeuchtungszustand einem gewünschten Einstellpunkt oder
niedrigeren Gebietswert annähert
und/oder darunter abfällt,
wird der Zieleinstellpunkt der relativen Feuchte für den aus
dem Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenabfluss erhöht. Wie
schnell und um wie viel der Einstellpunkt der relativen Feuchte
abgewandelt wird, hängt
von dem Ausmaß von
Prozessabweichungen außerhalb
des OCS ab, oder tatsächlich
um wie viel der Befeuchtungszustand von seinem optimalen oder gewünschten
Zustand abweicht oder abgeweicht ist. Somit ermöglicht diese Vorgehensweise die
Beibehaltung des Befeuchtungszustandes innerhalb des gewünschten
Intervalls sogar dann, wenn die Prozessbedingungen außerhalb
des OCS liegen.
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In 3 ist
ein vereinfachtes Flussschaubild der in der vorliegenden Erfindung
verwendeten Steuerstrategie gezeigt. Die Steuerstrategie beginnt
mit dem Start des Brennstoffzellenstapels, wie bei Block 76 gezeigt
ist. Die Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 22 werden überwacht,
wie bei Block 78 gezeigt ist. Das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 verwendet
die Betriebsparameter, um den gegenwärtigen Befeuchtungszustand
und die gegenwärtige Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels 22 zu
bestimmen, wie bei Block 80 gezeigt ist.
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Beim
Start wird ein Anfangsbefeuchtungszustand als der gegenwärtige Befeuchtungszustand verwendet.
Wie oben beschrieben ist, kann der Anfangsbefeuchtungszustand durch
Verwendung eines vorhergehenden Befeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels
bei einer vorhergehenden Abschaltung, eines Maßes des Hochfrequenzwiderstandes oder
eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels in einem gefluteten Zustand
und der Verwendung eines Anfangsbefeuchtungszustandes von 100 %
bestimmt werden. Beim Nennbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22 wird
die Bestimmung des Befeuchtungszustandes durch Verwendung der Gleichung (2)
ausgeführt,
wie oben beschrieben ist. Optional dazu kann der gegenwärtige Befeuchtungszustand durch
Verwendung eines Maßes
des Hochfrequenzwiderstandes korrigiert werden, wie in Block 82 gezeigt
und oben beschrieben ist. Wenn der Befeuchtungszustand bestimmt
ist, wie bei Block 80a gezeigt ist, wird die Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes bestimmt, wie bei Block 80b gezeigt
ist. Die Änderungsrate
des Befeuchtungszustandes wird durch Verwendung der Gleichung (1)
bestimmt, wie oben beschrieben ist.
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Der
gegenwärtige
Befeuchtungszustand wird mit einem vorbestimmten Standard oder Gebiet verglichen,
wie bei Block 84 gezeigt ist. Der vorbestimmte Standard
oder das vorbestimmte Gebiet ist so gewählt, um einen gewünschten
und/oder optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 vorzusehen.
Beispielsweise kann der Befeuchtungszustand so gewählt sein,
dass ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 mit hoher
Stromdichte vorgesehen wird. Der vorbestimmte Standard oder das
vorbestimmte Gebiet können
auf einer standardisierten Polarisierungskurve oder einer Leistungskurve
für den
jeweiligen Brennstoffzellenstapel basieren.
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Alternativ
dazu kann der vorbestimmte Standard oder das vorbestimmte Gebiet
auf Grundlage der spezifischen vorherigen Betriebsleistung des Brennstoffzellenstapels 22 abgestimmt
oder eingestellt werden, wie bei Block 86 gezeigt ist.
Die Einstellung auf den vorbestimmten Standard oder das vorbestimmte
Gebiet kann durch Vergleich der augenblicklichen Information der
Spannung und des elektrischen Stromes für den Brennstoffzellenstapel 22 gegenüber einer
vorher erreichten besten oder optimalen Betriebsleistungsfähigkeit
durchgeführt
werden. Die vorher erreichte Leistungsfähigkeit kann auf den letzten
wenigen Tagen, Wochen oder einer gesamten Betriebshistorie des Brennstoffzellenstapels
basieren. Durch Einstellen des vorbestimmten Standards oder vorbestimmten
Gebiets, um die beste, aktuellste Betriebsinformation im Gegensatz
zu einer standardisierten Polarisierungskurve zu verwenden, kann der
Verlust an Leistung mit der Zeit oder Abweichungen der jeweiligen
Stapelleistungsfähigkeit
vom Standard berücksichtigt
werden. Das Ergebnis besteht darin, dass der vorbestimmte Standard
oder das vorbestimmte Gebiet so gewählt werden können, dass
eine optimale Leistungsfähigkeit
für die
jeweiligen Fähigkeiten
des Brennstoffzellenstapels 22 vorgesehen werden und Änderungen
in diesen Fähigkeiten über die
Zeit berücksichtigt
werden.
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Bei
Vergleich des Befeuchtungszustandes mit dem vorbestimmten Standard
oder Gebiet wird ein Zieleinstellpunkt der relativen Feuchte für den aus dem
Brennstoffzellenstapel 22 strömenden Kathodenabfluss bestimmt,
wie bei Block 88 gezeigt ist. Das Rückhaltebeobachtungsmodul 50 kann
den Einstellpunkt der relativen Feuchte unter Verwendung eines oder
mehrerer Algorithmen, wie in Block 90 gezeigt ist, oder
alternativ durch die Verwendung des Nachschlagetabellenmoduls 52 bestimmen,
wie in Block 92 gezeigt ist.
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Nach
der Bestimmung des angestrebten Einstellpunktes der relativen Feuchte
für den
Kathodenabfluss bestimmt das Steueralgorithmusmodul 54 für die relative
Feuchte die erforderlichen Einstellungen an den Betriebsparametern
des Brennstoffzellenstapels 22, wie bei Block 93 gezeigt
ist. Das Modul 58 mit Subsystemcontrollern stellt dann
die Betriebsparameter, wie bei Block 94 gezeigt ist, gemäß den erforderlichen
Einstellungen ein, die durch das Steueralgorithmusmodul 54 für die relative
Feuchte bestimmt wurden.
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Wenn
der Brennstoffzellenstapel 22 und das Brennstoffzellensystem 20 weiterhin
betrieben werden, wie bei dem Entscheidungsblock 96 gezeigt
ist, bleibt die Aufsichtsschleife weiter aktiv, und die Steuervorgehensweise,
die in den Blöcken 78 bis 94 gezeigt
ist, wird weiterhin ausgeführt.
Wenn der Brennstoffzellenstapel 22 abgeschaltet wird, wie
durch Entscheidungsblock 96 gezeigt ist, führt der
Controller 46 ein Abschaltverfahren aus, wie bei Block 98 gezeigt
ist. Die Abschaltverfahren können
abhängig
von dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel 22 und der Verwendung,
der der Brennstoffzellenstapel 22 unterzogen ist, variieren.
Wenn beispielsweise der Brennstoffzellenstapel 22 einer
Frostumgebung ausgesetzt ist, kann das Abschaltverfahren versuchen, eine
bestimmte Menge an Wasser zu entfernen oder einen bestimmten Befeuchtungszustand
des Brennstoffzellenstapels 22 vor einem Abschalten zu
erhalten, um einen durch Frostbedingungen bewirkten Schaden zu vermeiden.
Das Abschaltverfahren kann das Erhalten oder Erreichen eines gewünschten
Befeuchtungszustandes für
den Brennstoffzellenstapel 22 umfassen. Wenn ein spezifischer
Befeuchtungszustand erreicht ist, kann diese Information in einem anschließenden Betrieb
des Brennstoffzellenstapels 22 als der Anfangsbefeuchtungszustand
beim Start des Betriebs verwendet werden, wie oben beschrieben ist.
Nach Ausführung
der Abschaltverfahren endet der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22,
wie bei Block 100 gezeigt ist.
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Demgemäß erlaubt
der Betrieb eines Brennstoffzellenstapels, der die Verfahren der
vorliegenden Erfindung verwendet, einen Betrieb mit hoher Stromdichte
und managt aktiv Abweichungen außerhalb des OCS. Dies erlaubt
seinerseits einen Betrieb mit höherem
Wirkungsgrad und hilft auch bei Instabilitätsproblemen bei niedriger Leistung
in Verbindung mit einem Fluten der Brennstoffzelle. Überdies
minimiert diese Vorgehensweise den Einfluss von Prozessbedingungsabweichungen
auf die Haltbarkeit der Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22.
Zusätzlich
minimiert diese Steuervorgehensweise den Wechsel zwischen gefluteten
und trockenen Bedingungen sogar während der Übergänge, die mit einem Brennstoffzellenstapel
in Verbindung stehen, der in einem Fahrzeugantriebszyklus verwendet
wird. Somit betrachtet die vorliegende Steuerstrategie vorteilhafterweise
den dynamischen Einfluss von Prozessabweichungen auf die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
und managt aktiv diese Prozessabweichungen. Das aktive Managen dieser
Prozessabweichungen sieht eine überlegene
Leistungsfähigkeit
gegenüber
bisher verwendeten am stabilen Zustand orientierten Steuervorgehensweisen
vor.
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Während die
vorliegende Erfindung unter Bezug auf ein spezifisches Brennstoffzellensystem 20 und
eine Aufsichtssteuerschleife gezeigt und beschrieben worden ist,
sei angemerkt, dass Änderungen
ohne Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
werden können.
Beispielsweise kann die mechanische Ausführung des Brennstoffzellensystems 20 von
der gezeigten abweichen. Das Brennstoffzellensystem 20 kann
andere Vorrichtungen als die WVT-Vorrichtung 30 und/oder
den Wärmetauscher 32 verwenden,
um diese Funktionalitäten
bereitzustellen. Ferner sei, während
die vorliegende Erfindung so offenbart ist, dass sie einen angestrebten Einstellpunkt
der relativen Feuchte für
den den Brennstoffzellenstapel 22 verlassenden Ka thodenabfluss
vorsieht, angemerkt, dass andere Parameter, wie der Kathodeneinlass/-auslassdruck,
die Kathodenstöchiometrie,
die relative Feuchte des Kathodeneinlasses und die Kühlmitteltemperatur
hinein/heraus einen angestrebten Einstellpunkt haben können, um
einen gewünschten
Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 zu erreichen, während die
verbleibenden Parameter eingestellt werden, um den angestrebten
Einstellpunkt zu erfüllen.
Zusätzlich könnte das
Rückhaltemodell,
wie vorher beschrieben ist, zusätzlich
Terme für
den Anodenlass und Anodenauslass enthalten. Somit ist die Beschreibung
der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhafter Natur, und Abwandlungen,
die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, sind als innerhalb
des Schutzumfanges der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige
Abwandlungen werden nicht als Abweichung von der Grundidee und dem
Schutzumfang der Erfindung betrachtet.