DE102006022863A1

DE102006022863A1 - Steuerung der relativen Feuchtigkeit eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102006022863A1
Application number: DE102006022863A
Authority: DE
Inventors: Victor W. Logan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: DE102006022863B4; US20060263652A1

Abstract

Eine Betriebsstrategie für ein Brennstoffzellensystem steuert den Hydratationsgrad der Membranen in den Brennstoffzellen und erzielt eine gewünschte Betriebsleistungsfähigkeit. Der Membranenhydratationsgrad wird dadurch gemanagt, dass die relative Feuchtigkeit des durch den Katodenflussweg fließenden Katodengases gesteuert wird. Basierend auf dem Wasserdampf in dem Katodengas werden relative Zielfeuchtigkeitssollwerte für das in den Katodenflussweg eintretende und ihn verlassende Katodengas hergestellt. Es werden Temperatursollwerte für das Katodengas zum Erzielen der relativen Zielfeuchtigkeit hergestellt. Das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem wird so betrieben, dass veranlasst wird, dass die geforderten Katodengastemperaturen erzielt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf die Steuerung der relativen Feuchtigkeit in Brennstoffzellen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Brennstoffzellen werden als Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge, für stationäre Leistungsversorgungen und für andere Anwendungen verwendet. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die PEM-Brennstoffzelle (d. h. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle), die eine so genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") umfasst, die einen dünnen, festen Polymermembranelektrolyten mit einer Anode an einer Fläche und mit einer Katode an der gegenüberliegenden Fläche aufweist. Die MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitender Kontaktelemente geschichtet, die als Stromabnehmer für die Anode und für die Katode dienen und die darin geeignete Kanäle und Öffnungen umfassen können, um die gasförmigen Reaktanden (d. h. H₂ und O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der Anode bzw. der Katode zu verteilen.

PEM-Brennstoffzellen umfassen mehrere der MEAs, die elektrisch in Reihe miteinander gestapelt sind, während sie durch ein undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement, das als eine Bipolplatte oder als ein Stromabnehmer bekannt ist, eine von der nächsten getrennt sind. In eini gen Brennstoffzellentypen besteht jede Bipolplatte aus zwei getrennten Platten, die mit einem Fluiddurchgang dazwischen, durch den ein Kühlmittelfluid fließt, um Wärme von beiden Seiten der MEAs zu entfernen, aneinander befestigt sind. In anderen Brennstoffzellentypen umfassen die Bipolplatten sowohl einzelne Platten als auch aneinander befestigte Platten, die in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind, wobei wenigstens eine Oberfläche jeder MEA durch ein durch die zwei Bipolplatten fließendes Kühlmittelfluid gekühlt wird.

Die Brennstoffzellen werden in einer Weise betrieben, die die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Die Katoden- und/oder Anodenreaktandengase, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, werden typisch befeuchtet, um das Trocknen der MEAs an den Orten in der Nähe der Einlässe für die Reaktandengase zu verhindern. Der Feuchtigkeitspegel der MEAs beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Außerdem kann dann, wenn eine MEA zu trocken betrieben wird, die MEA beschädigt werden, was den sofortigen Ausfall oder die Verringerung der Nutzungsdauer der Brennstoffzelle veranlassen kann.

Dagegen begrenzt der Betrieb der Brennstoffzellen mit den zu stark (z. B. höher als 100 %) befeuchteten MEAs die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels. Genauer behindert die Bildung von flüssigem Wasser die Diffusion von Gas in die MEAs und beschränkt dadurch ihre Leistungsfähigkeit. Außerdem wirkt das flüssige Wasser als Flusssperre, die den Zellenfluss verringert und eine noch höhere relative Feuchtigkeit der Brennstoffzelle veranlasst, was zur instabilen Brennstoffzellenleistungsfähigkeit führen kann. Außerdem kann die Bildung von flüssigem Wasser in der Zelle eine erhebliche Beschädigung verursachen, wenn die Brennstoffzelle abgeschaltet und Gefrierbedingungen ausgesetzt wird. Das heißt, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist und die Temperatur in der Brennstoffzelle unter das Gefrieren sinkt, gefriert das flüssige Wasser darin und dehnt sich aus, was die Brennstoffzelle potentiell beschädigt.

Somit wäre es vorteilhaft, die Brennstoffzelle in einer Weise zu steuern und zu betreiben, die die Bildung von flüssigem Wasser darin verhindert und/oder beschränkt. Ferner wäre es vorteilhaft, wenn eine solche Steuerung oder ein solcher Betrieb der Brennstoffzelle dazu führen würden, dass die MEA in einem befeuchteten Zustand betrieben wird, der zu optimaler Leistungsfähigkeit führt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft Betriebsstrategien für ein Brennstoffzellensystem, das die relative Feuchtigkeit (RH) der Membranen in den Brennstoffzellen steuert und eine gewünschte Betriebsleistungsfähigkeit erzielt. Der Membranenhydratationspegel wird dadurch gemanagt, dass die relative Feuchtigkeit in dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels und insbesondere die des dadurch fließenden Katodengases gesteuert wird. Die relative Feuchtigkeit des durch den Katodenflussweg fließenden Katodengases ist eine Funktion der Rate des Wassers, das durch eine Befeuchtungsvorrichtung zugeführt wird, der Rate des Produktwassers, das in den Brennstoffzellen erzeugt wird, der Rate, mit der das Katodengas zugeführt wird, des Drucks des Katodengases und der Temperatur des Katodengases, das in den Katodenflussweg fließt und ihn verlässt. Die Temperatur des Katodengases wird durch das Kühlmittelversorgungssystem gesteuert. Für einen gegebenen RH-Sollwert für das Katodengas, das in den Katodenflussweg fließt und ihn verlässt, werden Temperatursollwerte für das Katodengas, das in den Katodenflussweg fließt und ihn verlässt, erzeugt. Die Temperatursollwerte werden dadurch erzielt, dass das Stapel-Kühlmittelsteuersystem angewiesen wird, den Kühlmittelfluss so einzustellen, dass der gewünschte Temperatursollwert erzielt wird. Die Rate, mit der das Katodengas zugeführt wird, kann ebenfalls so eingestellt werden, dass vorübergehende RH-Auslenkungen, die während bestimmter Betriebsbedingungen wie etwa während eines Kaltstarts auftreten können, gemildert werden.

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen und mit einem Katodenflussweg dadurch besitzt, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung offenbart. Das Verfahren umfasst: (1) Auswählen einer ersten relativen Zielfeuchtigkeit für einen in den Katodenflussweg eintretenden Fluidfluss; (2) Auswählen einer zweiten relativen Zielfeuchtigkeit für den den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; und (3) Einstellen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, um für den in den Katodenflussweg eintretenden bzw. ihn verlassenden Fluidfluss im Wesentlichen die erste und die zweite relative Zielfeuchtigkeit zu erzielen.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren: (1) Auswählen einer ersten relativen Zielfeuchtigkeit für einen in den Katodenflussweg eintretenden Fluidfluss, wobei der Fluidfluss eine bekannte Menge Wasserdampf und eine bekannte Temperatur besitzt, bevor er in den Katodenflussweg eintritt; (2) Bestimmen einer ersten Temperatur des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses, die im Wesentlichen die erste relative Zielfeuchtigkeit erzielt; (3) Auswählen einer zweiten relativen Zielfeuchtigkeit für den den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; (4) Bestimmen einer zweiten Temperatur des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses, die im Wesentlichen die zweite relative Zielfeuchtigkeit erzielt, basierend auf einem Molenbruch von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; und (5) Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems, um für den in den Katodenflussweg eintretenden bzw. ihn verlassenden Fluidfluss im Wesentlichen die erste und die zweite Temperatur zu erzielen.

In einem nochmals weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren außerdem das Einstellen einer stöchiometrischen Menge des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses zum Ergänzen der Einstellung von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems, wenn das Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems zu einer Reaktionszeit zum Erzielen der ersten und der zweiten Temperatur führt, die höher als ein vorgegebener Wert ist.

Weitere Bereiche der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung gehen aus der im Folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung hervor. Selbstverständlich sollen die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obgleich sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zur Erläuterung dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird umfassender verständlich aus der ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Mechanisierung für ein Brennstoffzellensystem ist, mit dem die Verfahren der vorliegenden Erfindung genutzt werden können;
2 eine schematische Darstellung einer Regelschleife für die Mechanisierung aus 1 zum Regeln der Einlasstemperatur des in den Brennstoffzellenstapel fließenden Kühlmittels ist;
3 eine schematische Darstellung einer Regelschleife für die Mechanisierung aus 1 zum Regeln des Kühlmitteltemperaturanstiegs durch den Brennstoffzellenstapel ist; und
4 ein Ablaufplan ist, der das Steuerverfahren gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Modul" auf eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), auf eine elektronische Schaltung, auf einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe) und auf Speicher, die eines oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, auf eine Kombinationslogikschaltung oder auf andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, um den Betrieb einer Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstapels in der Weise zu steuern, dass für die Membranen in der Brennstoffzelle bzw. in den Brennstoffzellen ein gewünschter Hydratationszustand erzielt wird. Diesbezüglich wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezifische Mechanisierungen für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel darin diskutiert. Allerdings ist festzustellen, dass die gezeigte Mechanisierung lediglich beispielhaft ist und dass die Verfahren der vorlie genden Erfindung auf andere Brennstoffzellensysteme mit anderen Mechanisierungen anwendbar sind.
In 1 ist schematisch ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 20 dargestellt, in dem die Verfahren der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Das Brennstoffzellensystem 20 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 22, der mit einer Wasserstoffquelle 24 und mit einer Sauerstoffquelle 26, wie sie im Gebiet gut bekannt sind, verbunden ist. Die Sauerstoffquelle 26 ist Teil eines unten ausführlicher beschriebenen Katodenversorgungsteilsystems 28. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem 20 ein Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30, das durch den Brennstoffzellenstapel 22 einen Kühlmittelfluss zuführt. Eine Steuereinheit 32 ist so betreibbar, dass sie den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 und der Komponenten darin steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 22 umfasst mehrere Brennstoffzellen 34, die in einer gestapelten Konfiguration angeordnet sind. Die Brennstoffzellen 34 umfassen mehrere Membranelektrodenanordnungen (MEAs), die jeweils zwischen mehreren Bipolplatten angeordnet sind. Wie im Gebiet bekannt ist, kann der Stapel außerdem mehrere Gasverteilungsschichten, mehrere Anodenverteiler, mehrere Katodenverteiler, mehrere Kühlmittelverteiler und Endplatten umfassen, die alle in einer gestapelten Beziehung angeordnet sind. Die Folge der MEAs und der Bipolplatten ist wiederholt, um die gewünschte Spannungsabgabe für den Brennstoffzellenstapel 22 zu liefern. Wie im Gebiet bekannt ist, umfasst jede MEA eine Membran in Form eines dünnen protonendurchlässigen, elektrisch nicht leitenden, festen Polymerelektrolyten. An einer Oberfläche der Membranen ist eine Anodenkatalysatorschicht vorgesehen, während an der gegenüberliegenden Oberfläche der Membranen eine Katodenkatalysatorschicht vorgesehen ist. Für die vorliegende Erfindung kann die Konfiguration des Brenn stoffzellenstapels 22 irgendeine bekannte Anordnung sein. Der Brennstoffzellenstapel 22 besitzt einen Anodenflussweg, durch den das Anodenreaktandengas fließt, einen Katodenflussweg, durch den das Katodenreaktandengas fließt, und einen Kühlmittelflussweg, durch den das Kühlmittel fließt. Wie sie hier verwendet werden, beziehen sich die Begriffe "Einlass" und "Auslass" auf den Einlass und auf den Auslass der jeweiligen Flusswege innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22.
Wie im Gebiet bekannt ist, kann die Wasserstoffquelle 24 einen Brennstoffprozessor oder gespeicherten Wasserstoff umfassen. Die Wasserstoffquelle 24 führt dem Anodenflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 über eine Anodenversorgungsrohrleitung 36 einen Fluss des Anodenreaktanden zu. Der Anodenabfluss wird über eine Anodenabgasrohrleitung 38 aus dem Anodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 entleert. Die Steuereinheit 32 kommuniziert mit der Wasserstoffquelle 24 und mit den verschiedenen Ventilen und Stellgliedern (nicht gezeigt) innerhalb des Anodenversorgungsteilsystems, um den Fluss des Anodenreaktanden in den Anodenflussweg und die Entfernung des Anodenabflusses aus dem Anodenflussweg zu steuern und zu koordinieren. Der Betrieb des Anodenversorgungsteilsystems wird nicht weiter beschreiben. Allerdings ist festzustellen, dass der Anodenreaktand dem Anodenflussweg in Mengen zugeführt wird, die ausreichen, um den an den Brennstoffzellenstapel 22 gestellten Leistungsbedarf zu erfüllen und damit der Anodenabfluss nach Bedarf aus dem Anordnflussweg entfernt wird, um eine gewünschte Betriebsbedingung zu erzielen.
Der Katodenreaktand wird dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 von der Sauerstoffquelle 26 über die Katodenversorgungsrohrleitung 40 zugeführt. Der Katodenreaktand kann Umgebungsluft oder Luft/O₂ aus einem Speichertank sein. Der Katodenabfluss wird über eine Katodenabgasrohrleitung 42 aus dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 entleert. Das Katodenreaktandengas wird dem Brennstoffzellenstapel 22 durch einen Kompressor 44 zugeführt. Das Katodenreaktandengas fließt vom Kompressor 44 durch eine Befeuchtungsvorrichtung 46, in diesem Fall in Form einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT-Vorrichtung), in der das Katodenreaktandengas befeuchtet wird. Daraufhin fließt das Katodenreaktandengas durch den Katodenflussweg in den Brennstoffzellen 34 des Brennstoffzellenstapels 22 und verlässt den Brennstoffzellenstapel 22 in Form von Katodenabfluss über die Katodenabgasrohrleitung 42. Der Katodenabfluss wird durch die WVT-Vorrichtung 46 geleitet. Wie er hier verwendet wird, kann sich der Begriff "Katodengas" sowohl auf den Katodenreaktanden als auch auf den Katodenabfluss beziehen.
Innerhalb der WVT-Vorrichtung 46 wird Wasserdampf von dem Katodenabflussstrom auf den Katodenreaktandenstrom übertragen, der dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt wird. Der Betrieb der WVT-Vorrichtung 46 kann so eingestellt werden, dass verschiedene Grade der Wasserdampfübertragung zwischen dem Katodenabflussstrom und dem Katodenreaktandenstrom geliefert werden. Zusätzlich kann eine Umgehungsschleife (nicht gezeigt) genutzt werden, um zuzulassen, dass etwas Katodenreaktand die WVT-Vorrichtung 46 umgeht, und um eine zusätzliche Steuerung der relativen Feuchtigkeit des Katodenreaktanden unterstromig der WVT-Vorrichtung 46 zuzulassen.
Außerdem umfasst das Katodenversorgungs-Teilsystem 28 verschiedene Sensoren 47, die verschiedene Betriebsparameter des Katodenversorgungs-Teilsystems 28 messen. Die Sensoren 47 können nach Bedarf Tem peratursensoren, Drucksensoren, Durchflussmengensensoren, Feuchtigkeitssensoren und dergleichen umfassen, um den Betrieb des Katodenversorgungs-Teilsystems 28 zu überwachen und zu steuern.
Die Steuereinheit 32 steuert den Betrieb des Katodenversorgungs-Teilsystems 28. Die Steuereinheit 32 kommuniziert mit dem Kompressor 44, mit der WVT-Vorrichtung 46 und mit den Sensoren r, um die Zuführung und Befeuchtung des Katodenreaktanden und die Entfernung des Katodenabflusses aus dem Katodenflussweg zu steuern.
Das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 führt dem Kühlmittelflussweg innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 über die Kühlmittelversorgungs-Rohrleitung 48 einen Kühlmittelstrom zu und entfernt über die Kühlmittelaustritts-Rohrleitung 50 Kühlmittel aus dem Kühlmittelflussweg innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22. Eine Pumpe 52 ist so betreibbar, dass sie veranlasst, dass der Kühlmittelstrom durch die gesamte Kühlmittelversorgungs-Rohrleitung 48, durch den Kühlmittelflussweg innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 und durch die Kühlmittelaustritts-Rohrleitung 50 fließt. Der Kühlmittelstrom, der den Brennstoffzellenstapel 22 verlässt, fließt entweder durch eine Umgehungsschleife 54 oder durch eine Kühlerschleife 56 mit einem luftgekühlten Kühler 58 darin zur Pumpe 52 zurück. Ein Umgehungsventil 60 ist so betreibbar, dass es den gesamten Kühlmittelstrom oder einen Teil davon entweder durch die Umgehungsschleife 54 oder durch die Kühlerschleife 56 leitet, bevor er zur Umwälzung durch den Brennstoffzellenstapel 22 zur Pumpe 52 zurückfließt. Außerdem umfasst das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 mehrere Sensoren 62, die verschiedene Betriebsparameter des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems 30 wie etwa Temperaturen, Durchflussmengen und Drücke messen.
Die Sensoren 62 kommunizieren mit der Steuereinheit 32, um zu ermöglichen, dass die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems 30 steuert und koordiniert, um eine gewünschte Temperatur für das in den und aus dem Kühlmittelflussweg fließende Kühlmittel zu erhalten. Die Steuereinheit 32 kommuniziert mit der Pumpe 52 und mit dem Umgehungsventil 60, um die Geschwindigkeit der Pumpe 52 und die Stellung des Umgehungventils 60 zu steuern. Durch Einstellen der Geschwindigkeit der Pumpe 52 und der Stellung des Umgehungsventils 60 können die Einlass- und die Auslasstemperatur für das durch den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließende Kühlmittel gesteuert werden.
Das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 entnimmt Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel 22 und überträgt diese Wärme über den Kühler 58 an die Umgebung. Die Wärmeübertragungsrate vom Brennstoffzellenstapel 22 an das Kühlmittel ist:
wobei

Q_stack: = die Wärmeübertragungsrate vom Brennstoffzellenstapel an das Kühlmittel;
: = Kühlmitteldurchflussmenge;
c_p: = Wärmekapazität des Kühlmittels; und
Δt: = Differenz der Temperatur des in den Stapel eintretenden Kühlmittels und der Temperatur des den Stapel verlassenden Kühlmittels ist.

Ähnlich ist die Rate, mit der die Abwärme in dem Kühlmittel vom Kühler 58 an die Umgebungsluft übertragen wird:
wobei:

Q_rad: = Wärmeübertragungsrate vom Kühler an die Umgebungsluft; und
Δt: = Differenz der Temperatur des in den Kühler eintretenden Kühlmittels und der Temperatur des den Kühler verlassenden Kühlmittels ist.

Die Kühlmitteleinlasstemperatur (die Temperatur des Kühlmittels zu dem Kühlmittelflussweg) wird durch Einstellen der Stellung des Umgehungsventils 60 so gesteuert, dass sich die Mischung des durch die Umgehungsschleife 54 und durch die Kühlerschleife 56 fließenden Kühlmittels auf einen gewünschten Temperatursollwert mischt. Das gemischte Kühlmittel wird in den Einlass zu dem Kühlmittelflussweg in den Brennstoffzellenstapel 22 gepumpt. Die Kühlmitteleinlasstemperatur (T_si) als Funktion der Ventilstellung (Vp), der Kühler-Kühlmittelauslasstemperatur (T_ro) und der Stapel-Kühlmittelauslasstemperatur (T_so) ist: Tsi = TsoVp + Tro (1 – Vp)
Die Temperatur des den Brennstoffzellenstapel 22 verlassenden Kühlmittels wird dadurch gesteuert, dass die Geschwindigkeit (PS) der Kühlmittelpumpe 52 so eingestellt wird, dass die Kühlmitteldurchflussmenge
zu dem gewünschten Temperaturanstieg führt. Die Kühlmittelauslasstemperatur (T_so) als Funktion der Kühlmitteldurchflussmenge
der Einlasstemperatur (T_si) des in den Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittels und der Stapelabwärme (Q_stack) ist:
Basierend auf diesen Wärmeflussmodellen für das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 können eine Anzahl von Regelszenarien genutzt werden, um sowohl die Einlass- als auch die Auslasstemperatur des in den und aus dem Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittels zu regeln. In den
2 und 3 ist ein einfaches Verfahren veranschaulicht. In 2 wird ein PID-Kühlerumgehungsventil-Regelmodul genutzt, während in 3 ein PID-Kühlmittelpumpen-Regelmodul genutzt wird.
Das in 2 veranschaulichte Regelschema kann verwendet werden, um die Einlasstemperatur des in den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließenden Kühlmittels zu regeln. Ein Vergleich eines Stapel-Kühlmitteleinlasstemperatur-Sollwerts, wie er im Block 70 angegeben ist, mit der tatsächlichen Temperatur des in den Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittels, wie im Block 72 angegeben ist, wird, wie im Block 74 angegeben ist, an das Ventilstellungs-PID-Regelmodul der Steuereinheit 32 gesendet. Anhand des Vergleichs wird das Umgehungsventil 60, wie im Block 76 angegeben ist, angewiesen, eine gewünschte Stellung einzunehmen, die veranlasst, dass sich die Stapel-Kühlmitteleinlasstemperatur der Sollwerttemperatur annähert und/oder an sie anpasst. Für weitere Einstellungen der Ventilstellung, wie sie durch den Vergleich vorgeschrieben sind, wird, wie im Block 72 angegeben ist, die Stapel-Kühlmitteleinlasstemperatur erneut gemessen und mit dem Stapel-Kühlmitteleinlasstemperatur-Sollwert, wie im Block 70 angegeben ist, verglichen. Somit kann eine Rückkopplungsregelschleife genutzt werden, um die Stellung des Umgehungsventils 60 einzustellen, um eine gewünschte Temperatur des in den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließenden Kühlmittels zu erzielen.
3 zeigt eine Rückkopplungsregelschleife, die genutzt werden kann, um den Temperaturanstieg des Kühlmittels zu regeln, während es durch den Kühlmittelflussweg innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 fließt. In dieser Rückkopplungsregelschleife wird ein Stapel-Kühlmitteltemperatur-Sollwert, wie er im Block 80 angegeben ist, mit einem Stapel-Kühlmitteltemperaturanstiegs-Messwert, wie er im Block 82 angegeben ist, verglichen und an das Pumpengeschwindigkeit-PID-Regelmodul der Steuereinheit 32, wie es im Block 84 angegeben ist, gesendet. Anhand des Vergleichs wird für die Pumpe 52 eine gewünschte Pumpengeschwindigkeit angewiesen, die veranlasst, dass sich der Stapel-Kühlmitteltemperaturanstieg dem Sollwert annähert und/oder anpasst. Für weitere Einstellungen der Pumpengeschwindigkeit, wie durch den Vergleich vorgeschrieben ist, wird der Stapel-Kühlmitteltemperaturanstieg, wie im Block 82 angegeben ist, erneut gemessen und mit dem Stapel-Kühlmitteltemperaturanstiegs-Sollwert, wie er im Block 80 angegeben ist, verglichen. Somit kann eine Rückkopplungsregelschleife genutzt werden, um die Geschwindigkeit der Pumpe 52 einzustellen, um einen gewünschten Stapel-Kühlmitteltemperaturanstieg über den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 zu erzielen.
Obgleich die Steuereinheit 32 in 1 schematisch in der Weise gezeigt ist, dass sie eine einzelne Steuereinheit ist, ist festzustellen, dass die Steuereinheit 32 mehrere diskrete Steuereinheiten und/oder Module umfassen kann, die jeweils zugewiesene Verantwortlichkeiten oder funktionale Fähigkeiten zum Steuern verschiedener Aspekte des Brennstoffzellensystems 20 aufweisen.
Die Steuereinheit 32 überwacht verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 20 und stellt diese Betriebsparameter so ein, dass der gewünschte Hydratationszustand erzielt wird. Die Steuereinheit 32 weist die verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 nach Bedarf an, in der Weise zu arbeiten, dass veranlasst wird, dass das Katodengas in dem Katodenflussweg an eine relative Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit angepasst wird, so dass der gewünschte Hydratationszustand der Membranen erzielt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft die Steuerung der relativen Feuchtigkeit des in den und aus dem Katodenflussweg fließenden Katodengases, um den Hydratationszustand der Membran innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten. Das Verfahren verwendet einen Sollwert der relativen Feuchtigkeit für das in den und aus dem Katodenflussweg fließende Katodengas, der zu einem gewünschten Membranenhydratationsgrad führt. Auf der Grundlage dieser Sollwerte der relativen Feuchtigkeit, des Wasserdampfs in dem Katodengas vor Eintritt in den Katodenflussweg, des in dem Katodenflussweg erzeugten Produktwassers und des Katodengasdrucks werden die geforderten Einlass- und Auslasstemperaturen des Katodengases hergestellt, um diese Sollwerte der relativen Feuchtigkeit zu erzielen. Die Einlass- und Auslasstemperaturen für das Katodengas werden verwendet, um die geeigneten Temperaturen des Kühlmittels zu bestimmen, das in den Kühlmittelflussweg eintritt und ihn verlässt. Wie oben festgestellt wurde, sind die Kühlmittel- und die Katodengastemperaturen über ihre jeweiligen Flusswege im Wesentlichen einander gleich. Dementsprechend sind die Temperaturen für das Katodengas, die die gewünschten Grade der relativen Feuchtigkeit liefern, für das in den Kühlmittelflussweg eintretende und für das ihn verlassende Kühlmittel gleich.
Anhand von 4 ist das Verfahren zum Steuern des Hydratationszustands der Membranen in den Brennstoffzellen 34 des Brennstoffzellenstapels 22 veranschaulicht. Wie im Block 100 angegeben ist, überwacht die Steuereinheit 32 die verschiedenen Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels 22 und des Brennstoffzellensystems 20. Wie im Block 104 angegeben ist, wird auf der Grundlage der Betriebsparameter eine relative Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit (Einlass- und Auslassziel-RH) für das Katodengas ausgewählt. Die relativen Einlass- und Auslassfeuchtigkeiten für das Katodengas werden so ausgewählt, dass für die Membran ein gewünschter Hydratationszustand sichergestellt wird.
Basierend auf der relativen Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit für das Katodengas werden die geforderten Einlass- und Auslass-Kühlmittel/Katodengas-Temperaturen bestimmt, um die relative Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit für das Katodengas zu erzielen. Die geforderte Temperatur basiert auf dem Wassergehalt des in den Katodenflussweg fließenden Katodengases und auf dem Wasserdampfgehalt des den Katodenflussweg verlassenden Katodengases. Der Wasserdampfgehalt des in den Katodenflussweg fließenden Katodengases wird basierend auf dem Betrieb der WVT-Vorrichtung 46 bestimmt, während der Wasserdampfgehalt des den Katodenflussweg verlassenden Katodengases auf der Ausführung einer wie unten beschriebenen Wassermassenbilanz für den Katodenflussweg basiert.
Die relative Feuchtigkeit des Katodengases kann unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei:

[H₂O]: = Molenbruch von Wasser in dem Gas;
P_tot: = Druck des Gases; und
P_sat: = Sättigungsdruck des Gases ist.

P_sat kann entweder empirisch oder unter Verwendung der Antoine-Gleichung bestimmt werden.
Empirisch kann P_sat bestimmt werden als: Psat = 9,7022·10–7·T4 – 3,5021·10–5·T3 + 3,7283·10–3·T2 + 1,231·10–2·T + 0,70996 (4)wobei T die Gastemperatur in °C ist.
Unter Verwendung der Antoine-Gleichung kann P_sat bestimmt werden als:
Die empirische Form ist gut zur Vermeidung von Fehlern wegen Teilung durch null, während die Antoine-Gleichung gut für die Auflösung nach T ist.
Wie im Block 106 angegeben ist, wird zur Bestimmung der geforderten Auslasstemperatur zum Erzielen der Ziel-Auslass-RH eine Wassermassenbilanz für den Katodenflussweg ausgeführt. Die Wassermassenbilanz berücksichtigt die Wasserdurchflussmenge in den Katodenflussweg, die Produktwassererzeugungsrate innerhalb des Katodenflusswegs und die Wasserdurchflussmenge aus dem Katodenflussweg. Das Wasser innerhalb des Katodenflusswegs, das wegen Partialdrücken und wegen des Diffusionsvermögens der Membran von dem Katodenflussweg zu dem Anodenflussweg fließt, ist so wenig, dass es für diese Steuerstrategie ignoriert werden kann. Allerdings könnte die Wassermassenbilanz das von dem Katodenflussweg in den Anodenflussweg fließende Wasser auf Wunsch berücksichtigen. Allerdings wäre diese Berechnung komplizierter.
Der erste Schritt bei der Ausführung der Wassermassenbilanz ist die Bestimmung der molaren Durchflussmenge des Wassers in den Katodenflussweg. Das molare Durchflussverhältnis des Wassers in dem Katodengas ist:
wobei:

: = molare Durchflussmenge des Wassers; und
n_gas: = molare Durchflussmenge des Katodengases ist.

Die molare Durchflussmenge des Katodengases kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
Unter Verwendung der Gleichungen (3) und (6) und durch Umstellen kann die molare Durchflussmenge des in den Katodenflussweg fließenden Wassers wie folgt bestimmt werden:
Nachfolgend wird die Rate, mit der das Produktwasser erzeugt wird, wie folgt bestimmt:
und
wobei:

I: = der Strom, der erzeugt wird (Ampere);
#: cells = Anzahl der Brennstoffzellen;
Na: = Avagodro-Zahl; und
Q: = Elektronenladung (Coulomb/Elektron) ist.

Einsetzen von Gleichung 10 in Gleichung 9 ergibt:
Unter Verwendung der Ergebnisse aus Gleichung (8) (molare Durchflussmenge des in den Katodenflussweg fließenden Wassers) und der Ergebnisse von Gleichung (11) (molare Rate des in dem Katodenflussweg erzeugten Wassers) wird das gesamte Wasser, das den Katodenflussweg (bei Vernachlässigung irgendwelches von dem Katodenflussweg zu dem Anodenflussweg übertragenen Wassers und unter der Annahme, dass das gesamte Wasser entfernt wird) verlässt, bestimmt als:
Die molare Durchflussmenge des aus dem Katodenflussweg fließenden Katodengases ist:
Wenn das Katodengas Luft ist, ist:
Wenn das Katodengas Sauerstoff ist, ist:
n_gas _{_in} kann unter Verwendung von Gleichung (7) bestimmt werden.
wird bestimmt als:
Einsetzen in Gleichung (13) ergibt: wenn das Katodengas Luft ist:
wenn das Katodengas Sauerstoff ist:
Der Molenbruch des Wassers bei dem Katodenflusswegauslass ([H₂O]_out) kann unter Verwendung von Gleichung (6) bestimmt werden. Der Sättigungsdruck (P_{sat out}) des den Katodenflussweg verlassenden Katodengases kann unter Verwendung von Gleichung (4) bestimmt werden. Die relative Feuchtigkeit (RH _out) des den Katodenflussweg verlassenden Katodengases kann danach unter Verwendung von Gleichung (3) bestimmt werden.
Wie im Block 108 angegeben ist, werden mit dieser Kenntnis die geforderten Einlass- und Auslasskatodentemperaturen bestimmt, um die relativen Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeiten für das Katodengas zu erzielen. Um die geforderten Einlass-Katodengastemperaturen (T_{req_in}) und Auslass-Katodengastemperaturen (T_{req_out}) zu bestimmen, wird Gleichung (5) umgestellt, um sie nach T aufzulösen, und wird Gleichung (3) umgestellt und für P_sat in Gleichung (5) eingesetzt, was Folgendes ergibt:
Unter Verwendung von Gleichung (17) und der Werte für diese verschiedenen Parameter an dem richtigen Ort werden die geforderten Temperaturen für das in den und aus dem Katodenflussweg fließende Katodengas zum Erzielen der relativen Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeiten für das Katodengas berechnet.
Wie im Block 110 angegeben ist, wird der Betrieb des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems 30 so eingestellt, dass veranlasst wird, dass das Katodenreaktandengas die geforderten Einlass- und Auslasstemperaturen erzielt. Die Einstellung des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems 30 erfolgt so, wie es oben anhand der Gleichungen (1) und (2) und anhand der in den 2 und 3 veranschaulichten Regelstrategien diskutiert ist.
Beispiel
Das folgende Beispiel veranschaulicht die Ausführung einer Wassermassenbilanz für den Katodenflussweg und die Bestimmung der geforderten Katodeneinlasstemperaturen und -auslasstemperaturen zum Erzielen der relativen Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeiten für das Katodengas, wie sie in den Blöcken 106 und 108 verlangt werden. In diesem Beispiel ist das Kühlmittel in einer mit dem Katodengas gleichgerichtet fließenden Anordnung, während das Anodengas in einer zu dem Katodengas entgegengesetzt fließenden Anordnung ist. Die Werte für die verschiedenen Betriebsparameter sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Um die Wassermassenbilanz auszuführen, wird die molare Durchflussmenge des Wassers in dem Katodenflussweg bestimmt. Unter Verwendung von Gleichung (7) ist die molare Durchflussmenge des Katodengases:
P_{sat in} wird empirisch unter Verwendung von Gleichung (4) gelöst: Psat in(70,58 °C) = 31,96 kPa.
Die molare Durchflussmenge des Wassers in dem Katodengas, das die WVT-Vorrichtung verlässt und in den Katodenflussweg fließt, ist unter Verwendung von Gleichung (8):
Das in dem Katodenflussweg erzeugte Wasser ist unter Verwendung von Gleichung (11)
Das gesamte Wasser, das den Katodenflussweg verlässt, ist unter Verwendung von Gleichung (12):
Um die molare Durchflussmenge des aus dem Katodenflussweg fließenden Gases zu bestimmen, wird Gleichung (16a) verwendet. Zunächst wird unter Verwendung von Gleichung (7) das n_{gas_in} bestimmt:
Zerlegen von n_{gas_in} in seine Stickstoff- und Sauerstoffkomponenten ergibt:
Der in dem Katodenflussweg verbrauchte Sauerstoff ist unter Verwendung der Gleichungen (10) und (15)
Unter Verwendung von Gleichung (16a) wird nun n_{gas_out} bestimmt:
Der Molenbruch des Wassers bei dem Katodenauslass ist unter Verwendung von Gleichung (6)
P_{sat out} ist bei der Auslasstemperatur von 70,58 °C unter Verwendung der empirischen Formel in Gleichung (4): Psat out(70,58 °C) = 31,96 kPa
RH_out ist unter Verwendung von Gleichung (3):
Die relative Zielauslassfeuchtigkeit (RH_{target_out}) des Katodengases ist 90 %. Unter Verwendung des Zielwerts und von Gleichung (17) ist die geforderte Katodenauslasstemperatur (T_{req_out}) zum Erzielen der relativen Zielauslassfeuchtigkeit für das Katodengas:
Somit ist die geforderte Auslasstemperatur für das Katodengas zum Erzielen einer relativen Feuchtigkeit von 90 %, die den Katodenflussweg verlässt, 70,61 °C. Zum Bestimmen der geforderten Katodeneinlasstemperaturen (T_{req_in}) zum Erzielen der relativen Zieleinlassfeuchtigkeit (RH_tar _{get_in}), die 50 % ist, wird zunächst der Molenbruch des Wassers in dem Katodengas, das die WVT-Vorrichtung verlässt, unter Verwendung der umgestellten Gleichung (3) wie folgt bestimmt:
Die relative Zieleinlassfeuchtigkeit (RH_{target_in}) des Katodengases ist 50 %. Unter Verwendung des Zielwerts und von Gleichung (17) ist die geforderte Katodeneinlasstemperatur (T_{req_in}) zum Erzielen der relativen Zieleinlassfeuchtigkeit für das Katodengas:
Somit sollte zum Erzielen der relativen Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeit für das Katodengas die Einlasstemperatur 65,46 °C und die Auslasstemperatur 70,61 °C sein. Wenn das Kühlmittel und das Katodengas gleichgerichtet fließen, sind die Kühlmitteltemperatur und die Katoden gastemperatur über ihre gesamten jeweiligen Flusswege im Wesentlichen gleich. Das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 wird angewiesen, einen Kühlmitteleinlasstemperatur-Sollwert von 65,46 °C und einen Kühlmittelauslasstemperatur-Sollwert von 70,61 °C zu haben, was einen Kühlmitteltemperaturanstiegs-Sollwert von 5,15 °C ergibt.
Wieder anhand von 4 wird nach Einstellung des Betriebs des Kühlmittelteilsystems zum Erzielen der geforderten Einlass/Auslass-Temperaturen, wie im Entscheidungsblock 112 angegeben ist, eine Entscheidung getroffen, ob die Reaktionszeit zum Erzielen der geforderten Einlass/Auslass-Temperaturen ausreicht. Unter bestimmten Umständen kann die Reaktionszeit des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems unzureichend sein, was veranlasst, dass die relativen Feuchtigkeiten des Katodengases für eine Zeitdauer zu niedrig oder zu hoch sind, und was zu einer unerwünschten Betriebsbedingung führt. Zum Beispiel kann während eines Systemkaltstarts oder während drastischer Einschwingvorgänge in dem Brennstoffzellenstapel nicht genug Wärme erzeugt werden, um die Leitungsverluste zu berücksichtigen, oder zu viel Wärme erzeugt werden, um sie schnell zu entfernen. Wenn dies der Fall ist, kann das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem in einem ungesteuerten Gebiet sein, in dem das Umgehungsventil gesättigt (vollständig geöffnet oder geschlossen) und/oder die Pumpengeschwindigkeit gesättigt (auf ihrer höchsten oder niedrigsten Einstellung) ist, wobei die Reaktionszeit zum Erzielen der Temperatursollwerte für das Kühlmittel (Katodengas) jenseits einer akzeptablen Zeitdauer liegt.
Falls die Reaktionszeit ausreicht, ist keine weitere Aktion erforderlich, wobei das Steuerverfahren, wie im Entscheidungsblock 112 angegeben ist, erneut mit der Überwachung der Betriebsparameter, wie im Block 100 angegeben ist, beginnt und zum Entscheidungsblock 112 zurückkehrt.
Falls die Reaktionszeit dagegen, wie im Entscheidungsblock 112 angegeben ist, nicht ausreicht, kann die stöchiometrische Katodendurchflussmenge zu dem Katodenflussweg, wie im Block 114 angegeben ist, so eingestellt werden, dass sie den Betrieb des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems ergänzt. Durch Einstellen der stöchiometrischen Durchflussmenge des Katodengases kann die relative Feuchtigkeit geändert werden, um den Hydratationszustand der Membranen in einem gewünschten Bereich zu halten und/oder um die Auslenkungen über die akzeptablen Bereiche für den Hydratationszustand der Membranen hinaus zu minimieren. Zum Beispiel kann eine Leerlaufbedingung wie folgt sein:
Tabelle 2
Dabei ist aus Stapelhaltbarkeitsgründen die niedrige Temperatur erwünscht.
Bei einem Einschalteinschwingvorgang bleiben die Kühlmitteleingangstemperatur und die Kühlmittelausgangstemperatur (Katodeneingangstemperatur und Katodenausgangstemperatur) für kurze Zeitdauer niedrig, was zu einem sofortigen Fehler in der RH und zum Vorliegen der folgenden Betriebsbedingungen führt:
Tabelle 3
Die übermäßig hohe relative Auslassfeuchtigkeit führt zu einem Zweiphasenfluss, der zu Stabilitäts- und anderen Problemen für das Brennstoffzellensystem führen kann. Die relative Feuchtigkeit kann durch Anheben des Katodenflusses schnell zurück in einen gewünschten Bereich gebracht werden, was zum Auftreten der folgenden Betriebsbedingungen führt:
Tabelle 4
Für die wenigen Sekunden, die es dauert, dass das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 die Temperaturen des Kühlmittelflusses so einstellt, dass sie die geforderten Katodeneinlass- und Katodenauslasstemperaturen zum Erzielen der relativen Einlass- und Auslasszielfeuchtigkeiten für das Katodengas erfüllen, kann die relative Auslassfeuchtigkeit von 108 % akzeptabel sein. Somit kann die stöchiometrische Katodendurchflussmenge so eingestellt werden, dass sie den Betrieb des Kühlmittelversor gungs-Teilsystems ergänzt, wenn die Reaktionszeit nicht ausreicht. Wenn die stöchiometrische Katodendurchflussmenge eingestellt worden ist, startet das Steuerverfahren bei Block 100 erneut und kehrt durch die Steuerstrategie zum Entscheidungsblock 112 fort.
Dementsprechend kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 20 der Membranenhydratationsgrad durch Steuern der relativen Feuchtigkeit des Katodengases gemanagt werden. Die relative Feuchtigkeit des Katodengases ist eine Funktion der Rate des durch eine Katodeneinlass-Befeuchtungsvorrichtung zugeführten Wassers, des Produktwassers von der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle, der Katodengasversorgungsrate, des Drucks in dem Katodenflussweg und der Stapel-Kühlmittel-Einlass/Auslass-Temperatur. Für einen Zielsollwert der relativen Feuchtigkeit wird ein Temperatursollwert erzeugt. Der Temperatursollwert wird an das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem angewiesen, um die geforderten Temperaturen zu erzielen. Außerdem kann die Luftversorgung ebenfalls eingestellt werden, um die Reaktionszeit des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems zu ergänzen und irgendwelche vorübergehenden Auslenkungen der relativen Feuchtigkeit zu mildern.
Die Beschreibung der Erfindung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft, wobei Änderungen, die vom Wesen der Erfindung nicht abweichen, im Umfang der Erfindung liegen sollen. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung auf Brennstoffzellenstapel anwendbar, in denen sich die Anordnungen des Kühlmittelflusses, des Katodenflusses und des Anodenflusses von den in dem spezifischen Beispiel veranschaulichten unterscheiden. Das hier veranschaulichte Kühlmittelversorgungs-Teilsystem 30 ist lediglich beispielhaft für ein mögliches Kühlmittelversorgungs-Teilsystem und es ist festzustellen, dass weitere Kühlmittelversorgungs-Teilsysteme genutzt werden können. Darüber hinaus ist die mit dem Kühlmittel versorgungs-Teilsystem realisierte Steuerstrategie zum Erzielen der gewünschten Temperaturen ein Beispiel für die gezeigte besondere Konfiguration. Die spezifische Steuerstrategie für das Kühlmittelversorgungs-Teilsystem ändert sich basierend auf dem Entwurf (der Mechanisierung) und auf den Fähigkeiten der Komponenten darin. Darüber hinaus ist die Mechanisierung des Katodenversorgungs-Teilsystems 28 lediglich beispielhaft, und es ist festzustellen, dass weitere Mechanisierungen genutzt werden können. Zum Beispiel können andere Typen von Befeuchtungsvorrichtungen als die WVT-Vorrichtung genutzt werden. Darüber hinaus ist die in 1 gezeigte Mechanisierung des Brennstoffzellensystems 20 lediglich eine mögliche Mechanisierung. Die Strategie der vorliegenden Erfindung kann auf andere Mechanisierungen für ein Brennstoffzellensystem angewendet werden. Zum Beispiel kann sowohl in der Katodeneinlass- als auch in der Kühlmitteleinlassrohrleitung ein Wärmetauscher genutzt werden, um zuzulassen, dass das Katodengas und das Kühlmittel vor Eintritt in ihre jeweiligen Flusswege in dem Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen eine selbe Temperatur erzielen. Zusätzlich könnte der Brennstoffzellenstapel 22 in mehrere Brennstoffzellenstapel mit getrennten Flusswegen für jeden der Stapel und möglicherweise mit einer gewissen Querzufuhr von Fluidströmen dazwischen abgegrenzt sein. Schließlich können im gesamten Brennstoffzellensystem nach Bedarf zusätzliche Sensoren genutzt werden, um die notwendigen Betriebsparameter zum Verwirklichen der vorliegenden Erfindung zu überwachen. Somit sollen diese Änderungen nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und Umfang der Erfindung betrachtet werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen und mit einem Katodenflussweg dadurch besitzt, wobei das Verfahren umfasst: (a) Auswählen einer ersten relativen Zielfeuchtigkeit für einen in den Katodenflussweg eintretenden Fluidfluss; (b) Auswählen einer zweiten relativen Zielfeuchtigkeit für den den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; und (c) Einstellen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, um für den in den Katodenflussweg eintretenden bzw. ihn verlassenden Fluidfluss im Wesentlichen die erste und die zweite relative Zielfeuchtigkeit zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bestimmen einer ersten Temperatur des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses, die die erste relative Zielfeuchtigkeit erzielt; und Bestimmen einer zweiten Temperatur des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses, die die zweite relative Zielfeuchtigkeit erzielt, wobei (c) das Einstellen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, um für den in den Katodenflussweg eintretenden bzw. ihn verlassenden Fluidfluss im Wesentlichen die erste und die zweite Temperatur zu erzielen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Brennstoffzellensystem ein Kühlmittelversorgungssystem umfasst und (c) das Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems umfasst, um für den in den Katodenflussweg eintretenden bzw. ihn verlassenden Fluidfluss im Wesentlichen die erste und die zweite Temperatur zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem (c) das Einstellen einer Durchflussmenge eines durch den Brennstoffzellenstapel fließenden Kühlmittelfluids und/oder eines Kühlmittelumgehungsventils, das wahlweise zulässt, dass ein Teil des den Brennstoffzellenstapel verlassenden Kühlmittelfluids ein Wärmeentfernungselement umgeht, bevor es in den Brennstoffzellenstapel zurückfließt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem (c) das Einstellen einer stöchiometrischen Menge des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses umfasst, um das Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems zu ergänzen, wenn das Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems zu einer Reaktionszeit zum Erzielen der ersten und der zweite Temperatur führt, die höher als ein vorgegebener Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Bestimmen der zweiten Temperatur auf einem Molenbruch von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss basiert.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Bestimmen der zweiten Temperatur das Bestimmen des Molenbruchs von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss durch Ausführen einer Massenbilanz für den Katodenflussweg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Bestimmen der zweiten Temperatur auf dem Molenbruch von Wasser und auf einem Druck des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Bestimmen der ersten Temperatur auf einer Menge von Wasserdampf in dem Fluidfluss vor Eintritt in den Katodenflussweg basiert.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Bestimmen der ersten Temperatur auf einer Menge von Wasserdampf in dem eine Befeuchtungsvorrichtung verlassenden Fluidfluss vor Eintritt in den Katodenflussweg basiert.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das ein Kühlmittelversorgungs-Teilsystem und einen Brennstoffzellenstapel mit einem Katoden- und mit einem Kühlmittelflussweg dadurch besitzt, wobei das Verfahren umfasst: (a) Auswählen einer ersten relativen Zielfeuchtigkeit für einen in den Katodenflussweg eintretenden Fluidfluss, wobei der Fluidfluss eine bekannte Menge Wasserdampf und eine bekannte Temperatur besitzt, bevor er in den Katodenflussweg eintritt; (b) Bestimmen einer ersten Temperatur des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses, die im Wesentlichen die erste relative Zielfeuchtigkeit erzielt; (c) Auswählen einer zweiten relativen Zielfeuchtigkeit für den den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; (d) Bestimmen einer zweiten Temperatur des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses, die im Wesentlichen die zweite relative Zielfeuchtigkeit erzielt, basierend auf einem Molenbruch von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; und (e) Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems, um für den in den Katodenflussweg eintretenden bzw. ihn verlassenden Fluidfluss im Wesentlichen die erste und die zweite Temperatur zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem (e) das Einstellen einer Durchflussmenge eines durch den Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittelfluids und/oder eines Kühlmittelumgehungsventils, das wahlweise zulässt, dass ein Teil des den Kühlmittelflussweg verlassenden Kühlmittelfluids ein Wärmeentfernungselement umgeht, bevor es in den Kühlmittelflussweg zurückfließt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner das Herstellen einer bekannten Menge Wasserdampf in dem Fluidfluss mit einer Befeuchtungsvorrichtung, bevor der Fluidfluss in den Katodenflussweg eintritt, umfasst und bei dem (b) das Bestimmen der ersten Temperatur basierend auf der bekannten Menge Wasserdampf in dem die Befeuchtungsvorrichtung verlassenden Fluidfluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem (d) das Bestimmen des Molenbruchs von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss durch Ausführen einer Massenbilanz für den Katodenflussweg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem (d) das Bestimmen der zweiten Temperatur basierend auf dem Molenbruch von Wasser und auf einem Druck des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem (e) das Einstellen einer stöchiometrischen Menge des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses zum Ergänzen der Einstellung von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems umfasst, wenn das Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungs-Teilsystems zu einer Reaktionszeit zum Erzielen der ersten und der zweiten Temperatur führt, die höher als ein vorgegebener Wert ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, der mehreren Brennstoffzellen und einen Katoden- und einen Kühlmittelflussweg dadurch besitzt, wobei das Verfahren umfasst: (a) Auswählen einer ersten relativen Zielfeuchtigkeit für einen in den Katodenflussweg eintretenden Fluidfluss, wobei der Fluidfluss eine bekannte Menge Wasserdampf und eine bekannte Temperatur besitzt, bevor er in den Katodenflussweg eintritt; (b) Bestimmen einer ersten Temperatur des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses, die im Wesentlichen die erste relative Zielfeuchtigkeit erzielt; (c) Auswählen einer zweiten relativen Zielfeuchtigkeit für den den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; (d) Bestimmen einer zweiten Temperatur des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses, die im Wesentlichen die zweite relative Zielfeuchtigkeit erzielt, basierend auf einem Molenbruch von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss; und (e) Einstellen von Betriebsparametern eines Kühlmittelversorgungssystems, um im Wesentlichen die erste und die zweite Temperatur zu erzielen, wobei das Kühlmittelversorgungssystem dem Kühlmittelflussweg einen Kühlmittelfluss zuführt; und (f) Einstellen einer stöchiometrischen Menge des in den Katodenflussweg eintretenden Fluidflusses zum Ergänzen der Einstellung von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems, wenn das Einstellen von Betriebsparametern des Kühlmittelversorgungssystems zu einer Reaktionszeit zum Erzielen der ersten und der zweiten Temperatur führt, die höher als ein vorgegebener Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem (e) das Einstellen einer Durchflussmenge eines durch den Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittelfluids und/oder eines Kühlmittelumgehungsventils, das wahlweise zulässt, dass ein Teil des den Kühlmittelflussweg verlassenden Kühlmittelfluids ein Wärmeentfernungselement umgeht, bevor es in den Kühlmittelflussweg zurückfließt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Herstellen einer bekannten Menge Wasserdampf in dem Fluidfluss mit einer Befeuchtungsvorrichtung, bevor der Fluidfluss in den Katodenflussweg eintritt, umfasst und bei dem (b) das Bestimmen der ersten Temperatur basierend auf der bekannten Menge Wasserdampf in dem die Befeuchtungsvorrichtung verlassenden Fluidfluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem (d) das Bestimmen des Molenbruchs von Wasser in dem den Katodenflussweg verlassenden Fluidfluss durch Ausführen einer Massenbilanz für den Katodenflussweg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem (d) das Bestimmen der zweiten Temperatur basierend auf dem Molenbruch von Wasser und auf einem Druck des den Katodenflussweg verlassenden Fluidflusses umfasst.