DE102006022835A1 - Management über dynamische Wasserrückhalteschätzfunktion in einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Es ist eine Strategie zur Steuerung eines Befeuchtungszustandes von einer oder mehreren Brennstoffzellen und zum aktiven Managen eines Betriebs der Brennstoffzelle(n) offenbart, um einen gewünschten Befeuchtungszustand zu erreichen. Die Steuerstrategie überwacht den Befeuchtungszustand und eine Änderungsrate des Befeuchtungszustandes, die dazu verwendet werden, den Betrieb der Brennstoffzelle(n) zu steuern. Es ist eine Aufsichtssteuerstrategie implementiert, die die Betriebsparameter der Brennstoffzelle(n) auf Grundlage des Befeuchtungszustandes, der Änderungsrate des Befeuchtungszustandes und eines gewünschten Betriebsgebietes für den Befeuchtungszustand ändert.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere eine Steuerung des Betriebs von Brennstoffzellen auf Grundlage eines Befeuchtungszustandes der Brennstoffzellen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    •
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    •
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Brennstoffzellensystems ist, bei dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
  • 2 eine schematische Darstellung der Überwachungsmethode zum Managen des Befeuchtungszustandes eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Grundsatz der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 3 ein Flussschaubild ist, das die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
    Figure 00150001
    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].
  • 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.
  • 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:
    Figure 00160001
    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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (31)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, umfassend, dass: (a) ein Befeuchtungszustand der Brennstoffzelle überwacht wird; und (b) ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle auf Grundlage des Befeuchtungszustandes eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (a) umfasst, dass eine Änderungsrate des Befeuchtungszustandes überwacht wird, und (b) umfasst, dass ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle auf Grundlage des Befeuchtungszustandes und der Änderungsrate des Befeuchtungszustandes eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Überwachen einer Änderungsrate des Befeuchtungszustandes umfasst, dass eine Änderungsrate des Befeuchtungszustandes auf Grundlage einer Gleichung berechnet wird, die die Änderungsrate des Befeuchtungszustandes vorhersagt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen der Änderungsrate des Befeuchtungszustandes umfasst, dass Wasser, das in die Brennstoffzelle eintritt, Wasser, das in der Brennstoffzelle erzeugt wird, und Wasser, das die Brennstoffzelle verlässt, berücksichtigt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei (a) umfasst, dass ein Befeuchtungszustand der Brennstoffzelle zu einem ersten Zeitpunkt (t1) geschätzt wird, indem eine vorher geschätzte Änderungsrate des Befeuchtungszustandes zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) mit einer Zeitdifferenz zwischen t1 und t2 multipliziert wird und hierzu ein vorher geschätzter Befeuchtungszustand zu dem zweiten Zeitpunkt (t2) addiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der Befeuchtungszustand mit einem vorbestimmten Standard oder Gebiet verglichen wird, und wobei (b) umfasst, dass der Betriebsparameter auf Grundlage des Vergleichs eingestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend, dass der vorbestimmte Standard oder das vorbestimmte Gebiet auf Grundlage einer vorherigen Betriebsleistung der Brennstoffzelle eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Einstellen des vorbestimmten Standards oder Gebiets umfasst, das die augenblicklichen Erzeugung einer Spannung oder eines elektrischen Stromes der Brennstoffzelle mit einer vorher erreichten optimalen Erzeugung einer Spannung und eines elektrischen Stromes der Brennstoffzelle verglichen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (a) umfasst, dass ein Anfangsbefeuchtungszustand der Brennstoffzelle beim Start auf Grundlage eines Hochfrequenzwiderstandes der Brennstoffzelle bestimmt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (a) umfasst, dass ein Anfangsbefeuchtungszustand der Brennstoffzelle beim Start auf Grundlage eines Endbefeuchtungszustandes der Brennstoffzelle bei einer vorhergehenden Abschaltung des Betriebs der Brennstoffzelle bestimmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein Betrieb der Brennstoffzelle von einem kalten Zustand gestartet wird; zugelassen wird, dass die Brennstoffzelle nach dem Kaltstart geflutet wird; und wobei (a) umfasst, dass ein Anfangsbefeuchtungszustand der Brennstoffzelle als ein 100 % geschätzt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: ein Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle bestimmt wird; ein Befeuchtungszustand der Brennstoffzelle auf Grundlage des Hochfrequenzwiderstandes ermittelt wird; der überwachte Befeuchtungszustand mit dem ermittelten Befeuchtungszustand auf Grundlage des Hochfrequenzwiderstandes verglichen wird; und der Befeuchtungszustand auf Grundlage der Vergleichs eingestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (b) umfasst, dass eine angestrebte relative Feuchte des Kathodenabflusses auf Grundlage des Befeuchtungszustandes be stimmt wird und ein Betriebsparameter auf Grundlage der angestrebten relativen Feuchte des Kathodenabflusses eingestellt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (b) die Verwendung eines Algorithmus und des Befeuchtungszustandes umfasst, um eine Einstellung an einem Betriebsparameter der Brennstoffzelle zu bestimmen.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (b) die Verwendung einer Nachschlagetabelle und des Befeuchtungszustandes umfasst, um eine Einstellung an einem Betriebsparameter der Brennstoffzelle zu bestimmen.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (b) umfasst, dass eine relative Feuchte eines in die Brennstoffzelle strömenden Kathodenreaktanden, eine Temperatur eines Kühlmittels, das durch die Brennstoffzelle strömt, ein Druck eines Kathodenreaktanden in der Brennstoffzelle und/oder eine stöchiometrische Menge von in die Brennstoffzelle strömendem Kathodenreaktand eingestellt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, wobei (b) umfasst, dass ein Betriebsparameter der Brennstoffzelle eingestellt wird, um den Befeuchtungszustand in einem vorbestimmten Gebiet zu halten.
  18. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) ein gegenwärtiger Befeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird; (b) eine gegenwärtige Änderungsrate des Befeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird; und (c) ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage des gegenwärtigen Befeuchtungszustandes und der gegenwärtigen Änderungsrate des Befeuchtungszustandes eingestellt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (a) umfasst, dass ein gegenwärtiger Befeuchtungszustand auf Grundlage eines vorher ermittelten Befeuchtungszustandes und einer vorher ermittelten Änderungsrate des Befeuchtungszustandes ermittelt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, (a) umfasst, dass ein gegenwärtiger Befeuchtungszustand zu einem ersten Zeitpunkt (t1) ermittelt wird, indem eine vorher ermittelte Änderungsrate des Befeuchtungszustandes zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) mit einer Zeitdifferenz zwischen t1 und t2 multipliziert wird und hierzu ein vorher ermittelter Befeuchtungszustand zu dem zweiten Zeitpunkt (t2) addiert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass der gegenwärtige Befeuchtungszustand mit einem vorbestimmten Standard oder Gebiet verglichen wird, und wobei (c) umfasst, dass der Betriebsparameter auf Grundlage des Vergleichs eingestellt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend, dass der vorbestimmte Standard oder das vorbestimmte Gebiet auf Grundlage einer vorhergehenden Betriebsleistung des Brennstoffzellenstapels eingestellt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (a) umfasst, dass ein Anfangsbefeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels beim Start auf Grundlage eines Hochfrequenzwiderstandes des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (a) umfasst, dass ein Anfangsbefeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels beim Start auf Grundlage eines Endbefeuchtungszustandes des Brennstoffzellenstapels bei einer vorhergehenden Abschaltung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass: ein Betrieb der Brennstoffzellenstapels gestartet wird; zugelassen wird, dass der Brennstoffzellenstapel nach dem Start geflutet wird; und wobei (a) umfasst, dass ein Anfangsbefeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels als ein 100 % geschätzt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass: ein Hochfrequenzwiderstand von einer oder mehreren Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ermittelt wird; und der ermittelte gegenwärtige Befeuchtungszustand auf Grundlage des Hochfrequenzwiderstandes eingestellt wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (c) umfasst, dass eine angestrebte relative Feuchte des Kathodenabflusses auf Grundlage des gegenwärtigen Befeuchtungszustandes und der gegenwärtigen Änderungsrate des Befeuchtungszustandes bestimmt wird und ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der angestrebten relativen Feuchte des Kathodenabflusses eingestellt wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (c) umfasst, dass ein Algorithmus und der gegenwärtige Befeuchtungszustand und die gegenwärtige Änderungsrate des Befeuchtungszustandes verwendet werden, um eine Einstellung an einem Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen.
  29. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (c) umfasst, dass eine Nachschlagetabelle und der gegenwärtige Befeuchtungszustand und die gegenwärtige Änderungsrate des Befeuchtungszustandes verwendet werden, um eine Einstellung an einem Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen.
  30. Verfahren nach Anspruch 18, wobei (c) umfasst, das eine relative Feuchte eines in den Brennstoffzellenstapel strömenden Kathodenreaktanden, eine Temperatur eines Kühlmittels, das durch den Brennstoffzellenstapel strömt, ein Druck eines Kathodenreaktanden in dem Brennstoffzellenstapel und/oder eine stöchiometrische Menge von in den Brennstoffzellenstapel strömenden Kathodenreaktand eingestellt wird.
  31. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der in der Lage ist, einen durch einen Kathodenströmungspfad strömenden Kathodenreaktanden und einen durch einen Anodenströmungspfad strömenden Anodenreaktanden in elektrische Energie umzuwandeln, wobei das Verfahren umfasst, dass: (a) ein gegenwärtiger Befeuchtungszustand des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird; (b) eine gegenwärtige Änderungsrate des Befeuchtungszustands des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird; (c) der gegenwärtige Befeuchtungszustand mit einem vorbestimmten Standard oder Gebiet verglichen wird; (d) eine angestrebte relative Feuchte des Kathodenabflusses auf Grundlage des Vergleichs bestimmt wird; und (e) ein Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der angestrebten relativen Feuchte des Kathodenabflusses eingestellt wird.
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