DE102006022864B4 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (20, 20', 20'') das einen Brennstoffzellenstapel (22, 22', 22'') und ein Kühlmittelversorgungsteilsystem (30, 30', 30'') umfasst, wobei durch den Brennstoffzellenstapel (22, 22', 22'') drei voneinander unabhängige Durchflusswege in Form eines Katodenflusswegs, eines Anodendurchflusswegs und eines Kühlmittelflusswegs verlaufen, wobei das Verfahren umfasst:
(a) Betreiben des Brennstoffzellenstapels (22, 22', 22'') zum Erzeugen von Elektrizität;
(b) Überwachen eines Leistungspegels des Brennstoffzellenstapels (22, 22', 22'');
(c) Bestimmen eines Kühlmittelflusses durch den Kühlmittelflussweg, um basierend auf dem Leistungspegel eine vorgegebene konstante Kühlmitteltemperaturänderung durch den Kühlmittelflussweg zu erzielen; und
(d) Einstellen des Betriebs des Kühlmittelversorgungsteilsystems (30, 30', 30''), um den bestimmten Kühlmittelfluss zu erzielen, indem
der Kühlmittelfluss als Flussimpulse durch den Kühlmittelflussweg geliefert wird, wenn der Leistungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und
der Kühlmittelfluss als ein kontinuierlicher Strom durch den Kühlmittelflussweg geliefert wird, wenn der Leistungspegel einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenstapel und insbesondere auf eine Steuerstrategie zum Erzielen eines Profils der relativen Feuchtigkeit für den Brennstoffzellenstapelbetrieb mit hoher Stromdichte.
  • 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 Bipolarplatte oder als ein Stromabnehmer bekannt ist, eine von der nächsten getrennt sind. In einigen Brennstoffzellentypen besteht jede Bipolarplatte aus zwei getrennte 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 Bipolarplatten sowohl einzelne Platten als auch aneinander befestigte Platten, die in einem sich wiederholenden Muster angeordnet sind, wobei wenigstens eine Oberfläche der MEA durch ein durch die Platten fließendes Kühlmittelfluid gekühlt wird.
  • Die Brennstoffzellen werden in einer Weise betrieben, die die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Der Grad der Feuchtigkeit oder Hydratation der MEAs beeinflusst die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Eine zu nasse MEA begrenzt die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels und kann einen Betrieb mit hoher Stromdichte verhindern. Insbesondere verhindert die Bildung von flüssigem Wasser die Diffusion von Gas in die MEAs und begrenzt damit ihre Leistungsfähigkeit. Außerdem wirkt das flüssige Wasser als eine Flussunterbrechung, die den Zellenfluss verringert und eine noch höhere relative Feuchtigkeit der Brennstoffzelle verursacht, die zu instabiler Brennstoffzellenleistungsfähigkeit führen kann. Eine zu trockene MEA begrenzt ebenfalls die Leistungsfähigkeit und kann einen Betrieb mit hoher Stromdichte verhindern. Genauer beginnt, während der Feuchtigkeitspegel abnimmt, die Protonenleitfähigkeit der MEA (insbesondere in der Nähe des Einlasses) zuzunehmen, was zu zusätzlicher Abwärme und zu niedrigerer Elektrizitätserzeugung führt. Darüber hinaus legen Haltbarkeitsdaten nahe, dass ein großes Durchlaufen periodischer Änderungen des Feuchtigkeitsgehalts der MEA, das zu gefluteten und getrockneten Membranen führt, wegen des wiederholten Anschwellens und Schrumpfens der Membran zu erheblichem Haltbarkeitsverlust führen kann. Somit begrenzten untergetauchte und trockene Betriebsbe dingungen den Betrieb mit hoher Stromdichte und können die Haltbarkeit der MEA und der Brennstoffzelle verringern.
  • Dementsprechend ist es vorteilhaft, den Betrieb der Brennstoffzelle in einer Weise zu steuern, die den gefluteten Betrieb und/oder den trockenen Betrieb der Brennstoffzelle verhindert und/oder minimiert. Darüber hinaus wäre es vorteilhaft, den Betrieb der Brennstoffzelle in einer Weise zu steuern, die zum Betrieb mit hoher Stromdichte der Brennstoffzelle führt und dadurch einen effizienten Betrieb sicherstellt. Darüber hinaus wäre es vorteilhaft, wenn dieser Betrieb über die Nennleistungsbetriebspegel der Brennstoffzelle einschließlich Ausgleichsvorgängen nach oben und unten in dem Leistungspegel erzielt werden könnte.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Steuerstrategie, die zu einem Profil der relativen Feuchtigkeit, d. h. zu der Art, in der sich die relative Feuchtigkeit entlang des Flusswegs des vom Einlass zum Auslass fließenden Katodenreaktanden ändert, führt, das unabhängig von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen dasselbe oder konstant ist. Die Strategie hält das Profil der relativen Feuchtigkeit innerhalb eines Bereichs, der den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit hoher Stromdichte ermöglicht. Das Profil wird dadurch erzielt, dass eine Kühlmitteldurchflussmenge durch den Brennstoffzellenstapel so eingestellt wird, dass eine Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass unabhängig vom Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen aufrechterhalten wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • 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 ersten bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems ist, mit dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
  • 2 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems ist, mit dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
  • 3 eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform einer Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems ist, mit dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann;
  • 4 ein Ablaufplan ist, der die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
  • 5 ein Ablaufplan ist, der die Bestimmung des geforderten Kühlmitteldurchflussmengenteils der Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 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 gewünschtes Profil der relativen Feuchtigkeit erzielt wird. Diesbezüglich wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezifische Mechanisierungen für ein Brennstoffzellensystem mit einem Brenn stoffzellenstapel darin diskutiert. Allerdings ist festzustellen, dass die gezeigten Mechanisierungen lediglich beispielhaft sind und dass die Verfah ren der vorliegenden Erfindung auf andere Brennstoffzellensysteme mit anderen Mechanisierungen anwendbar sind.
  • Eine erste bevorzugte Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems 20, mit dem die Verfahren der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, ist schematisch in 1 dargestellt. 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 Kühlmittelversorgungsteilsystem 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 Bipolarplatten 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 Bipolarplatten 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 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 ist so betreibbar, dass sie das Zuführen und Entleeren von Anodenreaktand zu/Anodenabfluss aus dem Anodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 steuert. Die Steuereinheit 32 weist an, dass dem Anodenflussweg eine geforderte Menge Wasserstoff zugeführt wird, und koordiniert nach Bedarf das Entleeren des Anodenabflusses daraus.
  • Die Sauerstoffquelle 26 kann aus der Umgebung angesaugte Luft oder aus einer Speichervorrichtung geliefertes reines O2 sein. Der Katodenreaktand wird dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 über eine Katodenversorgungsrohrleitung 40 zugeführt. Der Katodenabfluss wird über eine Katodenabgasrohrleitung 42 aus dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 entleert. Das Katodenreaktandengas wird dem Brennstoffzellenstapel 22 durch den 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. Wie unten ausführlicher diskutiert wird, ist ein Befeuchtungsumgehungsventil 48 wahlweise so betreibbar, dass es zulässt, dass ein Teil des Katodenreaktanden durch die Umgehungsschleife 50 fließt und die WVT-Vorrichtung 46 vermeidet, um eine stärkere Anpassung der Feuchtigkeit des zu dem Katodenflussweg fließenden Katodenreaktanden zuzulassen.
  • Das Katodenreaktandengas fließt durch den Katodenflussweg in den Brennstoffzellen 34 des Brennstoffzellenstapels 22 und verlässt den Brennstoffzellenstapel 22 über die Katodenabgasrohrleitung 42 in Form des Katodenabflusses. In der Katodenabgasrohrleitung 42 ist ein Absperrventil 52 angeordnet. Das Absperrventil 52 ist so betreibbar, dass es den Auslassdruck des Katodengases steuert, das den Katodenflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 verlässt. Der Katodenabfluss wird durch die WVT-Vorrichtung 46 geleitet. Außerdem umfasst das Katodenversorgungsteilsystem 28 verschiedene Sensoren 54, 56, die verschiedene Betriebsparameter des Katodenversorgungsteilsystems 28 messen. Die Sensoren 54, 56 können nach Bedarf Temperatursensoren, Drucksensoren, Durchflussmengensensoren, Feuchtigkeitssensoren und dergleichen umfassen, um den Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 zu überwachen und zu steuern. Wie er hier verwendet wird, kann sich der Begriff ”Katodengas” sowohl auf den Katodenreaktanden als auch auf den Katodenabfluss beziehen.
  • Die Sensoren 54, 56 kommunizieren mit der Katodenversorgungsrohrleitung bzw. mit der Abgasrohrleitung 40, 42. Die Sensoren 54, 56 liefern eine Vielzahl von Informationen hinsichtlich der innerhalb des Katodenflusswegs auftretender Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 22, wie sie für die besondere Mechanisierung und Steuerstrategie benötigt werden. Zum Beispiel können die Sensoren 54, 56 bezüglich der Temperatur, der relativen Feuchtigkeit, der Durchflussmenge und/oder der Drü cke des in den Katodenflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 fließenden Katodengases und des ihn verlassenden Katodengases benachrichtigen.
  • Innerhalb der WVT-Vorrichtung 46 wird Feuchtigkeit von dem Katodenabflussstrom zu dem Katodenreaktandenstrom übertragen, der den Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt wird. Der Betrieb der WVT-Vorrichtung 46 kann so eingestellt werden, dass sie verschiedene Pegel von Wasserdampfübertragung zwischen dem Katodenabflussstrom und dem Katodenreaktandenstrom liefert. Darüber hinaus kann das Umgehungsventil 48 wahlweise betätigt werden, um zu ermöglichen, dass ein Teil des durch den Kompressor 44 zugeführten Katodenreaktandengases oder das gesamte durch dem Kompressor 44 zugeführte Katodenreaktandengas durch die Umgehungsschleife 50 fließt und die Befeuchtung innerhalb der WVT-Vorrichtung 46 vermeidet. Durch Steuern des Betriebs der WVT-Vorrichtung 46 und der Menge des Katodenreaktanden, der durch die WVT-Vorrichtung 46 fließt und der die WVT-Vorrichtung 46 umgeht, kann eine gewünschte relative Feuchtigkeit für den in den Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließenden Katodenreaktanden erzielt werden.
  • Die Steuereinheit 32 kommuniziert mit dem Kompressor 44, mit der WVT-Vorrichtung 46, mit dem Umgehungsventil 48, mit dem Absperrventil 52 und mit den Sensoren 54, 56 des Katodenversorgungsteilsystems 28. Die Steuereinheit 32 überwacht die Ausgabe der Sensoren 54, 56 und steuert den Betrieb des Kompressors 44, der WVT-Vorrichtung 46, des Umgehungsventils 48 und des Absperrventils 52 so, dass der gewünschte Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 erzielt wird.
  • Das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 führt dem Kühlmittelflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 über eine Kühlmittelversorgungsrohrleitung 60 einen Kühlmittelstrom zu und entfernt über eine Kühlmittelaustrittsrohr leitung 62 Kühlmittel aus dem Kühlmittelflussweg. Eine Pumpe 64 ist so betreibbar, dass sie veranlasst, dass der Kühlmittelstrom über die Kühlmittelversorgungsrohrleitung 60, den Kühlmittelflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 und die Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 fließt. Ein Stapelumgehungsventil 68 ist wahlweise so betreibbar, dass es einen Teil des die Pumpe 64 verlassenden Kühlmittelstroms durch eine Stapelumgehungsschleife 70 und in die Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 umleitet, wo er sich mit dem Teil des Kühlmittelstroms verbindet, der durch den Kühlmittelflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 geflossen ist. Ein Absperrventil 72 oder eine ähnliche Vorrichtung verhindert, dass Kühlmittel, das durch die Umgehungsschleife 70 fließt, über die Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 in den Kühlmittelflussweg zurückfließt.
  • Der Kühlmittelstrom innerhalb der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 fließt entweder durch eine Kühlerumgehungsschleife 74 oder durch eine Kühlerschleife 76 mit einem luftgekühlten Kühler 78 darin zur Pumpe 64 zurück. Die Stellung eines Kühlerumgehungsventils 80 bestimmt, ob der Kühlmittelstrom innerhalb der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 durch die Umgehungsschleife 74 oder durch die Kühlerschleife 76 fließt, bevor er zur Rückführung durch den Brennstoffzellenstapel 22 zur Pumpe 64 zurückfließt.
  • Außerdem umfasst das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 mehrere Sensoren 82, 84, 86, die verschiedene Betriebsparameter des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 wie etwa Temperaturen, Durchflussmengen und Drücke messen. Die Sensoren 82, 84, 86 kommunizieren mit der Steuereinheit 32, um zu ermöglichen, dass die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 steuert und koordiniert, um für das in den Kühlmittelflussweg fließende und für das ihn verlassende Kühlmittel eine gewünschte Temperatur zu erhalten.
  • Die Steuereinheit 32 kommuniziert mit der Pumpe 64, mit den Umgehungsventilen 68, 80 und mit den Sensoren 82, 84, 86, um den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 zu steuern. Durch Steuern des Betriebs (ein/aus und Geschwindigkeit) der Pumpe 64, der Stellung des Stapelumgehungsventils 68 und der Stellung des Kühlerumgehungsventils 80 können die Dauer, die Menge und die Temperatur des in den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 fließenden und ihn verlassenden Kühlmittels gesteuert werden.
  • Das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 entnimmt dem Brennstoffzellenstapel 22 Wärme und überträgt diese Wärme über den Kühler 78 an die Umgebung. Die Kühlmitteleinlasstemperatur wird durch Einstellen der Stellung des Kühlerumgehungsventils 80 so gesteuert, dass sich die Mischung des durch die Kühlerumgehungsschleife 74 und des durch die Kühlerschleife 76 fließenden Kühlmittels zu einem gewünschten Temperatursollwert mischt. Das gemischte Kühlmittel wird durch die Kühlmittelversorgungsrohrleitung 60 zu dem Einlass des Kühlmittelflusswegs im Brennstoffzellenstapel 22 gepumpt. Die Stellung des Stapelumgehungsventils 68 kann außerdem den Betrieb des Umgehungsventils 80 beeinflussen, indem ein Teil des gemischten Stroms direkt zur Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 geleitet wird, ohne durch den Kühlmittelflussweg im Brennstoffzellenstapel 22 zu gehen. Somit ist die Temperatur des Kühlmittels in der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62 eine Funktion der Stellung des Stapelumgehungsventils 68, der Einlasstemperatur des in den Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittels und der durch den Kühlmittelstrom aus dem Brennstoffzellenstapel 22 entnommenen Wärme. Im Ergebnis ist die Stapelkühlmitteleinlasstemperatur eine Funktion der Stellung des Kühlerumgehungsventils 80, der Kühlerkühlmittelauslasstempe ratur, der Stellung des Stapelumgehungsventils 68 und der Temperatur des Kühlmittels innerhalb der Kühlmittelaustrittsrohrleitung 62.
  • Die Temperatur des Kühlmittels, das den Brennstoffzellenstapel 22 verlässt, wird dadurch gesteuert, dass die Kühlmittelpumpengeschwindigkeit so eingestellt wird, dass die Kühlmitteldurchflussmenge zu dem gewünschten Temperaturanstieg führt. Somit ist die Kühlmittelauslasstemperatur eine Funktion der Kühlmitteldurchflussmenge, der in den Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmitteleinlasstemperatur und der erzeugten und durch den Kühlmittelstrom entfernten Stapelabwärme.
  • Wie oben festgestellt wurde, kommuniziert die Steuereinheit 32 mit den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 20, um den Betrieb dieser verschiedenen Komponenten zu steuern und zu koordinieren. Die Steuereinheit 32 ist als eine einzige, einteilige Steuereinheit gezeigt. Allerdings ist festzustellen, dass die Steuereinheit 32 aus mehreren diskreten einzelnen Steuereinheiten bestehen kann, die zusammenwirken, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 zu steuern und zu koordinieren. Darüber hinaus ist ebenfalls festzustellen, dass die Steuereinheit 32 nach Bedarf eines oder mehrere Module umfasst, um die genannten Funktionen der Steuereinheit 32 auszuführen. Außer der zum Steuern und Koordinieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems 20 diskutierten Funktionalität kann die Steuereinheit 32 weitere Funktionalität und Fähigkeiten haben.
  • Die Steuereinheit 32 überwacht verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 20 und weist verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 an, in der Weise zu arbeiten, dass eine gewünschte Betriebsbedingung erzielt wird. Die Grundsteuerstrategie gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist in 4 veranschaulicht.
  • Wie im Block 100 angegeben ist, weist die Steuereinheit 32 verschiedene Komponenten des Brennstoffzellensystems 20 an, so zu arbeiten, dass veranlasst wird, dass der Brennstoffzellenstapel 22 Elektrizität erzeugt. Um dies auszuführen, weist die Steuereinheit 32 an, dass dem Anodenflussweg über die Wasserstoffquelle 24 über die Anodenversorgungsrohrleitung 36 Anodenreaktand in einer Menge zugeführt wird, die ausreicht, um den Leistungsbedarf zu befriedigen. Außerdem entfernt die Steuereinheit 32 nach Bedarf über die Anodenabgasrohrleitung 38 den Anodenabfluss aus dem Anodenflussweg. Die Steuereinheit 32 weist das Katodenversorgungsteilsystem 28 an, dem Katodenflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 Katodenreaktand in einer Menge zuzuführen, die ausreicht, um den Leistungsbedarf zu befriedigen. Die Steuereinheit 32 steuert den Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 so, dass beim Niederleistungsbetrieb (Leerlaufbetrieb) und bei einem Hochleistungsbetrieb ein gewünschter Katodengaseinlassdruck erzielt wird. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 32 bei Leerlauf einen Einlasskatodendruck von 126 kPa und einen Vollleistungs- oder Hochleistungseinlassdruck von 150 kPa anweisen. Während der Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 zwischen den Leerlauf- und den Vollleistungsbedingungen variiert, variiert der Einlassdruck zwischen dem Niederleistungseinlassdruck und dem Hochleistungseinlassdruck.
  • Außerdem koordiniert die Steuereinheit 32 den Betrieb des Absperrventils 52, um einen gewünschten Katodengasauslassdruck zu erzielen. Wie im Block 102 angegeben ist, hält die Steuereinheit 32 den Katodengasauslassdruck vorzugsweise unabhängig von einem Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 im Wesentlichen konstant. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 32 das Katodenversorgungsteilsystem 28 so betreiben, dass unabhängig von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 ein Katodengasauslassdruck von 125 kPa aufrechterhalten wird.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 32 den Betrieb des Katodenversorgungsteilsystems 28 so, das veranlasst wird, dass der in den Katodenflussweg fließende Katodenreaktand eine gewünschte relative Feuchtigkeit wie etwa 65% besitzt. Wie im Block 104 angegeben ist, hält die Steuereinheit 32 die relative Feuchtigkeit des Katodenreaktandeneinlasses vorzugsweise unabhängig vom Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 gleich. Um eine gewünschte relative Feuchtigkeit zu erzielen, fließt das Katodenreaktandengas (in seiner Gesamtheit oder ein Teil davon) vor Eintritt in den Katodenflussweg durch die WVT-Vorrichtung 46. Innerhalb der WVT-Vorrichtung 46 wird Wasserdampf von dem Katodenabfluss auf das Katodenreaktandengas übertragen. Je nach dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 20 und der WVT-Vorrichtung 46 kann es ein Durchlaufen periodischer Änderungen der relativen Feuchtigkeit des Katodenreaktanden geben, der die WVT-Vorrichtung 46 verlässt. Eine Möglichkeit, diesen Effekt zu beseitigen oder zu minimieren, ist das aktive Steuern der Menge des Katodenreaktanden, der die WVT-Vorrichtung 46 umgeht. Die Steuereinheit 32 weist das Umgehungsventil 48 an, einen Teil des Katodenreaktanden oder den gesamten Katodenreaktanden über die Umgehungsschleife 50 um die WVT-Vorrichtung 46 zu leiten. Der befeuchtete und der unbefeuchtete Katodenreaktandenfluss werden in der Katodenversorgungsrohrleitung 40 vor Eintritt in den Katodenflussweg miteinander gemischt. Im Ergebnis kann die Steuereinheit 32 eine gewünschte relative Feuchtigkeit für den in den Katodenflussweg fließenden Katodenreaktanden erzielen und diese relative Feuchtigkeit unabhängig von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 im Wesentlichen konstant halten.
  • Außerdem steuert die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30. Die Steuereinheit 32 weist das Kühlmittelversor gungsteilsystem 30 an, für den in dem Kühlmittelflussweg fließenden Kühlmittelstrom eine gewünschte Einlasstemperatur zu erzielen. Wie im Block 105 angegeben ist, steuert die Steuereinheit 32 außerdem den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 so, dass eine gewünschte Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass auftritt. Die Kühlmitteleinlasstemperatur und die Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass variieren für den besonderen Brennstoffzellenstapel 22, an dem die Steuerenergie der vorliegenden Erfindung genutzt wird. Das heißt, verschiedene Brennstoffzellenstapel haben verschiedene gewünschte Kühlmitteleinlasstemperaturen und Temperaturänderungen über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass. Die Steuereinheit 32 weist das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 unabhängig von dem Stapel an, zu veranlassen, dass eine gewünschte Einlasstemperatur auftritt und dass eine gewünschte Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass auftritt.
  • Somit weist die Steuereinheit 32 in der Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung das Katodenversorgungsteilsystem 28 an, einen Katodenauslassdruck und eine relative Feuchtigkeit des Katodenreaktandeneinlasses unabhängig von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 im Wesentlichen konstant zu halten. Im Ergebnis ist der Druckabfall über den Katodenflussweg bei niedriger Leistung im Wesentlichen ein fester Wert, ist der Druckabfall über den Katodenflussweg bei hoher Leistung im Wesentlichen ein fester Wert und variiert der Wert des Druckabfalls über den Katodenflussweg zwischen Nieder- und Hochleistungsbetrieb zwischen diesen zwei festen Druckabfällen.
  • Wie im Block 106 angegeben ist, überwacht die Steuereinheit 32 beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 zum Erzeugen von Elektrizität ei nen Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22. Die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung stellt eine gewünschte feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass her, die zu einem gewünschten Profil der relativen Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 führt. Genauer wird das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 dann, wenn die relative Feuchtigkeit des Einlasses des Katodengases im Wesentlichen auf einem gewünschten Pegel hergestellt oder erhalten wird und der Druckabfall über den Brennstoffzellenstapel ebenfalls innerhalb vorgegebener Grenzen festgesetzt wird, so betrieben, dass unabhängig von einem Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels eine im Wesentlichen konstante oder feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass veranlasst wird. Die feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass führt zur selben Temperaturänderung in dem Katodengas über den Katodenflussweg. Mit anderen Worten, der Kühlmittelstrom und der Katodenstrom werden als mit derselben Temperatur genommen, was wegen des großen Wärmeübertragungsfläche/Volumen-Verhältnisses für eine typische Brennstoffzelle gerechtfertigt ist. Es kann eine gewünschte Einlasstemperatur ausgewählt werden, die dazu führt, dass das Katodenreaktandengas mit einer gewünschten relativen Feuchtigkeit in den Katodenflussweg fließt. Zum Beispiel ändert sich das Wasserhaltevermögen des Katodengases basierend auf seiner Temperatur. Im Ergebnis kann die relative Feuchtigkeit des Katodengases direkt unterstromig der WVT-Vorrichtung 46 dadurch eingestellt werden, dass eine Kühlmitteleinlasstemperatur mit einem gewünschten Betrag bereitgestellt wird. Wenn eine gewünschte Einlasstemperatur hergestellt worden ist, wird eine gewünschte Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass verwendet, die eine gewünschte relative Auslassfeuchtigkeit für den Katodenabfluss liefert, der den Katodenflussweg verlässt.
  • Die Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass, die relative Feuchtigkeit des in den Katodenflussweg fließenden Katodenreaktanden und der Druckabfall über den Katodenflussweg bei einem gegebenen Leistungspegel hängen von dem spezifischen Entwurf und von dem gewünschten Betrieb des Brennstoffzellenstapels ab. Für einen besonderen Brennstoffzellenstapel sind diese Werte für alle erwarteten Betriebsbedingungen im Wesentlichen dieselben. Allerdings können sich die Werte dieser verschiedenen Parameter für verschiedene Entwürfe oder für einen anderen gewünschten Betrieb eines anderen Brennstoffzellenstapels unterscheiden. Allerdings wird die Steuerstrategie weiter unter Verwendung der anwendbaren Werte realisiert.
  • Die Menge der während der Erzeugung von Elektrizität im Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten Abwärme ändert sich mit dem Betriebsleistungspegel. Das heißt, während der Leistungspegel zunimmt, wird zusätzliche Abwärme erzeugt, die vom Brennstoffzellenstapel 22 entfernt werden muss, um eine gewünschte Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Umgekehrt nimmt die Menge der erzeugten Abwärme ab, während der Leistungspegel abnimmt, so dass eine kleinere Wärmemenge von dem Brennstoffzellenstapel entfernt werden muss, um eine gewünschte Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Die Steuereinheit 32 berücksichtigt diesen sich ändernden Leistungspegel, wenn sie bestimmt, wie das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 zu steuern ist, um die gewünschte Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Wie im Block 110 angegeben ist, wird genauer die Kühlmitteldurchflussmenge durch den Kühlmittelflussweg anhand des Betriebsleistungspegels so eingestellt, dass die Kühlmitteltemperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass auf dem gewünschten festen Wert gehalten wird. Wie unten genauer beschrieben wird, kann die Steuereinheit 32, wie im Block 112 angegeben ist, ein Mo dell nutzen oder, wie im Block 114 angegeben ist, eine Nachschlagetabelle nutzen, um das geforderte Kühlmittelflussregime zu erhalten, das die gewünschte Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechterhält. Daraufhin stellt die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 so ein, dass die gewünschte Kühlmitteldurchflussmenge erzielt wird, wodurch die gewünschte feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechterhalten wird.
  • Falls der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22 andauert, beginnt die Steuerstrategie, wie im Entscheidungsblock 116 angegeben ist, erneut, bis es erwünscht ist, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu beenden. Wenn es, wie im Block 116 angegeben ist, erwünscht ist, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu beenden, wird, wie im Block 118 angegeben ist, eine Abschaltprozedur ausgeführt. Die Abschaltprozedur kann das Herstellen bestimmter Betriebsparameter umfassen, die von den Nennbetriebsparametern abweichen, um zu veranlassen, dass die Bedingung des Stapels vor dem Abschalten in einem gewünschten Zustand ist. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, für das Abschalten einen bestimmten Feuchtigkeitszustand zu erzielen, der von den Nennbetriebsbedingungen verschieden ist. Wenn die Abschaltprozeduren abgeschlossen sind, endet der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22, wie im Block 120 angegeben ist.
  • Wie im Block 112 angegeben ist, kann die Steuereinheit 32, wie oben festgestellt wurde, ein Modell nutzen, um die geforderten Einstellungen an der Kühlmitteldurchflussmenge zu bestimmen. Genauer wird ein Algorithmus verwendet, um ein Ausgleichsvorgangsmodell des Betriebs des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen und ein gefordertes Flussregime zum Aufrechterhalten der festen Temperaturänderung zu bestimmen. Das Aus gleichsvorgangsmodell sagt bei der Bestimmung des geeigneten Flussregimes unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebsparameter wie etwa des Leistungspegels, der Kühlmitteleinlasstemperatur, des Katodeneinlassdrucks und des Katodenauslassdrucks, der relativen Feuchtigkeit des Katodeneinlasses, der stöchiometrischen Menge des Katodenreaktanden und der gewünschten Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass den Betrieb des Brennstoffzellenstapels voraus. Wenn die Menge der zu entfernenden Abwärme bestimmt worden ist, kann das geforderte Flussregime zum Aufrechterhalten der festen Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass bestimmt werden. Es ist festzustellen, dass der Algorithmus die spezifischen Komponenten, aus denen das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 besteht, und die Beschränkungen ihrer dynamischen Reaktionen ebenfalls berücksichtigt. Somit wird der Algorithmus spezifisch für die spezifischen Komponenten und Betriebsstrategien, die für ein besonderes Brennstoffzellensystem genutzt werden sollen, abgestimmt oder entwickelt. Außerdem kann während des Systembetriebs die Rückkopplung der abgetasteten Kühlmittelauslasstemperatur verwendet werden, um die Kühlmitteldurchflussmenge und die Impulsparameter fein abzustimmen.
  • Wie im Block 114 angegeben ist, kann alternativ anstelle der Verwendung eines Algorithmus eine Nachschlagetabelle genutzt werden. Die Nachschlagetabelle liefert basierend auf dem Leistungspegel und weiteren Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 20 die geforderten Flussregimes zum Aufrechterhalten der gewünschten festen Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass. Das heißt, die Nachschlagetabelle umfasst mehrere Tabellen, die verschiedenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 20 entsprechen, und liefert das geforderte Flussregime zum Aufrechterhalten der Temperaturdifferenz über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass. Die Nachschlagetabelle wird für ein besonderes Brennstoffzellensystem 20 und/oder für einen besonderen Brennstoffzellenstapel 22 hergestellt. Die Daten in der Nachschlagetabelle basieren vorzugsweise auf empirischen Daten, die von Standversuchen eines repräsentativen Brennstoffzellenstapels und/oder Brennstoffzellensystems mit einer dynamischen Charakteristik und Leistungsfähigkeit erhoben wurden, die im Wesentlichen dieselben sind wie jene, innerhalb derer die Nachschlagetabelle genutzt werden soll.
  • Dementsprechend kann die Steuereinheit 32 auf ein Modell zugreifen, das einen Algorithmus zum Vorhersagen der erzeugten Abwärme verwendet, der auf den Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels basiert und ein gewünschtes Flussregime zum Aufrechterhalten der gewünschten Kühlmitteltemperaturänderung liefert, oder eine Nachschlagetabelle nutzen, die das geforderte Kühlmittelflussregime basierend auf den verschiedenen Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels liefert. Unabhängig von der Verwendung eines Modells oder einer Nachschlagetabelle wird an die Steuereinheit 32 ein gewünschtes Flussregime zum Aufrechterhalten der gewünschten Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass geliefert. Basierend auf diesem Flussregime stellt die Steuereinheit 32 den Betrieb des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 so ein, dass das geforderte Flussregime erfüllt ist.
  • Anhand von 5 ist nun die Bestimmung des geforderten Flussregimes entweder unter Verwendung des Modells und/oder der Nachschlagetabelle veranschaulicht. Wenn die Steuereinheit 32 entweder auf das Modell und/oder auf die Nachschlagetabelle zugreift, beginnt, wie im Block 130 angegeben ist, ein Start der Bestimmung des Flussregimes. Wie im Entscheidungsblock 132 angegeben ist, bestimmt der Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 relativ zu einem Schwellenwert (z. B. 0,3 A/cm2) den Typ des Flussregimes (kontinuierlich oder Impuls), das realisiert wird. Die Entscheidung zwischen der Verwendung entweder eines kontinuierlichen oder eines diskontinuierlichen Flussregimes (Impulsflussregimes) berücksichtigt die Komponenten der besonderen Mechanisierung des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30. Das heißt, die Komponenten des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30 haben bestimmte Betriebsbeschränkungen wie etwa Durchflussmengen, Reaktionszeiten usw., die die potentiellen Flussregimes, die für ein besonderes Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 realisiert werden können, beschränken. Zum Beispiel ist die innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22 erzeugte Abwärme während des Hochleistungsbetriebs am größten und erfordert die höchste Kühlmitteldurchflussmenge, um die feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Demgegenüber wird während des Niederleistungsbetriebs (Leerlaufbetriebs) die kleinste Menge Abwärme erzeugt, die entfernt werden muss, um die feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Durchflussmenge kann zwei Größenordnungen betragen. Allerdings ist es möglich, dass die Reaktion der im Kühlmittelversorgungsteilsystem 30 genutzten Komponenten nicht über diesen Größenpegel geändert werden kann, während weiter die gewünschte feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrecht erhalten wird, da die Pumpe nicht so weit heruntergestellt werden kann. Im Ergebnis wird bei niedrigen Leistungspegeln ein Pulsieren des Kühlmittels verwendet.
  • Zusätzlich kann die Bestimmung des geforderten Kühlmittelflussregimes auch durch weitere Betriebsangelegenheiten des Brennstoffzellenstapels 22 und/oder des Brennstoffzellensystems 20 beeinflusst werden. Zum Beispiel können sich während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 22 innerhalb des Kühlmittelflusswegs Gasblasen wie etwa H2 oder Luft bilden. Diese Gasblasen könnten potentiell innerhalb des Kühlmittelflusswegs eingeschlossen werden und die Fähigkeit des Kühlmittels zum Entfernen von Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel beeinflussen. Darüber hinaus können diese Gasblasen schwierig zu entfernen sein. Während des Hochleistungsbetriebs reicht die Kühlmitteldurchflussmenge üblicherweise aus, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg zu entfernen. Dagegen kann die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge zum Aufrechterhalten der Temperaturdifferenz über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass bei dem festen Pegel während des Niederleistungsbetriebs unzureichend sein, um die Gasblasen zu entfernen. Dementsprechend kann es erwünscht sein, unabhängig von dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels eine minimale Kühlmitteldurchflussmenge zu haben, die ausreicht, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg zu entfernen.
  • Im Ergebnis dieser Notwendigkeiten liefern das Modell und die Nachschlagetabelle verschiedene Flussregimes, um diese verschiedenen Notwendigkeiten zu erfüllen. Genauer liefern das Modell und die Nachschlagetabelle verschiedene Flussregimes, die auf dem Betriebsleistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 basieren. Das Modell und die Nachschlagetabelle liefern das geforderte kontinuierliche Kühlmittelflussregime oder Impulskühlmittelflussregime/diskontinuierliche Kühlmittelflussregime, um die gewünschte Kühlmitteltemperaturänderung zu erzielen, die die Flussgeschwindigkeit aufrechterhält, die ausreicht, um Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg zu entfernen, und die die Reaktionszeiten der verschiedenen Komponenten berücksichtigt. Außerdem kann während des Systembetriebs die Rückkopplung der abgetasteten Kühlmittelauslasstemperatur verwendet werden, um die Kühlmitteldurchflussmenge und die Impulsparameter fein abzustimmen.
  • Wenn z. B. der Leistungspegel, wie im Entscheidungsblock 132 angegeben ist, größer als ein Schwellenwert (z. B. 0,3 A/cm2) ist, bestimmen das Modell und die Nachschlagetabelle, wie im Block 134 angegeben ist, eine geforderte kontinuierliche Kühlmitteldurchflussmenge, um den gewünschten Kühlmitteltemperaturbereich aufrechtzuerhalten. Die geforderte kontinuierliche Kühlmitteldurchflussmenge hat eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg zu entfernen. Wenn im Gegensatz dazu der Leistungspegel, wie im Entscheidungsblock 132 angegeben ist, gleich oder unter dem Schwellenwert liegt, bestimmen das Modell und die Nachschlagetabelle, wie im Block 136 angegeben ist, eine geforderte Impulsfrequenz und -größe, um die gewünschte Kühlmitteltemperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Die Größe des Impulses ist ein Wert, der ausreicht, um die Gasblasen aus dem Kühlmittelflussweg zu entfernen. Die Frequenz, mit der der Impuls des Kühlmittelstroms durch den Kühlmittelflussweg fließt, stellt die Bewegung von ausreichend Abwärme sicher, um die Kühlmitteltemperaturänderung über den Flusswert bei dem festen Wert zu erhalten. Zum Beispiel können das Modell und die Nachschlagetabelle ein Impulsflussregime liefern, das für eine Sekunde eine Größe gleich fünf (5) Litern pro Minute pro 300 cm2 Platte und für zwei Sekunden keinen Fluss verlangt. Während der Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels 22 abnimmt, nimmt die Dauer der Perioden ohne Fluss zu. Im Gegensatz dazu nehmen die Perioden ohne Kühlmittelfluss ab, während der Leistungspegel zunimmt. Falls die Dauer zu groß ist, kann das Profil der relativen Feuchtigkeit durch den gesamten Brennstoffzellenstapel das gewünschte übersteigen, wobei die Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass ebenfalls von dem gewünschten festen Wert abweichen kann. Das Impulsregime berücksichtigt auch die Reaktionszeit der Komponenten des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30.
  • Wie im Block 138 angegeben ist, wird das Flussregime unabhängig von der Bestimmung eines kontinuierlichen Kühlmittelflussregimes oder eines Impulskühlmittelflussregimes an die Steuereinheit übermittelt. Die Steuereinheit 32 stellt daraufhin die Kühlmitteldurchflussmenge so ein, dass das geforderte Flussregime erzielt wird und die Temperaturänderung über den Kühlmittelweg auf dem gewünschten Wert gehalten wird.
  • Wenn das Flussregime wieder anhand der in 1 gezeigten Mechanisierung der ersten Ausführungsform ein kontinuierlicher Kühlmittelfluss ist, weist die Steuereinheit 32 die Pumpe 64 an, mit einer Geschwindigkeit zu arbeiten, die ausreicht, um die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge für den Kühlmittelflussweg zu liefern. Wenn die Pumpe 64 die geforderte Durchflussmenge erzeugen kann, wird das Stapelumgehungsventil 68 betätigt, um zu verhindern, dass irgendein Kühlmittel durch die Umgehungsschleife 70 fließt. Falls die geforderte Durchflussmenge niedriger als die minimale Durchflussmenge ist, zu der die Pumpe 64 fähig ist, kann die Pumpe 64 bei ihrer minimalen (oder einer höheren) Durchflussmenge betrieben werden und das überschüssige Kühlmittel über den Betrieb des Stapelumgehungsventils 68 durch die Stapelumgehungsschleife 70 umgeleitet werden. Die Verwendung des Stapelumgehungsventils 68 und der Stapelumgehungsschleife 70 kann auch erwünscht sein, falls es bevorzugt ist, den Betrieb der Pumpe 64 wie etwa aus Effizienzgründen im Wesentlichen konstant zu halten und irgendwelchen überschüssigen Kühlmittel fluss durch die Umgehungsschleife 70 umzuleiten. Das Endergebnis ist, dass die geforderte Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22 erzielt wird.
  • Wenn das Modell oder die Nachschlagetabelle ein Impulsflussregime vorschreibt, wird die Pumpe 64 durch die Steuereinheit 32 angewiesen, mit einer Durchflussmenge zu arbeiten, die die geforderte Größe für den Kühlmittelfluss durch den Brennstoffzellenstapel 22 erfüllt. Das Umgehungsventil 68 wird wahlweise betätigt, um zuzulassen, dass der gesamte Kühlmittelstrom oder ein Teil davon für die geforderte Dauer (Flussdauer) durch den Kühlmittelflussweg fließt und dass der geforderte Kühlmittelstrom für die geforderte Dauer (Dauer ohne Fluss) durch die Stapelumgehungsschleife 70 fließt. Auf diese Weise kann die Pumpe 64 kontinuierlich betrieben werden, um die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge zu liefern, während das Umgehungsventil 68 den Kühlmittelfluss wahlweise entweder durch den Kühlmittelflussweg oder durch die Stapelumgehungsschleife 70 anweist, um ihn an das durch das Modell oder durch die Nachschlagetabelle bestimmte geforderte Flussregime anzupassen.
  • Anhand von 2 ist nun eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Mechanisierung eines Brennstoffzellensystems 20 veranschaulicht, mit dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Das Brennstoffzellensystem 20' nutzt eine andere Mechanisierung für das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30', als sie in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 20 genutzt wird. Der Hauptunterschied ist, dass das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30' weder ein Stapelumgehungsventil noch eine Stapelumgehungsschleife umfasst. Dementsprechend ist die Steuerung des Kühlmittelversorgungsteilsystems 30', um das geforderte Flussregime zu erfüllen, anders. Bei dieser Mechanisierung ist die Pumpe 64' so bemessen, dass sie sowohl die minimale kontinuierliche Kühlmit teldurchflussmenge als auch die maximale kontinuierliche Durchflussmenge liefert, die ausreichen, um während des Nennbetriebs die feste Temperaturänderung über den Kühlmittelflussweg vom Einlass zum Auslass aufrechtzuerhalten. Außerdem ist die Pumpe 64 so beschaffen, dass sie periodisch ein- und ausgeschaltet wird, um die Impulskühlmittelflussregime-Anforderungen zu erfüllen.
  • Wenn das Flussregime vorschreibt, dass durch den Kühlmittelflussweg ein kontinuierlicher Kühlmittelfluss zugeführt wird, weist die Steuereinheit 32' die Pumpe 64' an, mit einer Geschwindigkeit zu arbeiten, die ausreicht, um die geforderte kontinuierliche Kühlmitteldurchflussmenge zu liefern. Wenn das Flussregime vorschreibt, dass der Kühlmittelfluss gepulst ist, weist die Steuereinheit 32' die Pumpe 64' an, in den geeigneten Intervallen, um das geforderte Pulsieren zu erfüllen, periodisch ein- und auszuschalten. Außerdem weist die Steuereinheit 32' die Pumpe 64' an, mit einer Geschwindigkeit zu arbeiten, die ausreicht, um die gewünschte Größe des Kühlmittelflusses zu liefern. Bei dieser Mechanisierung berücksichtigen die Größe und die Dauer des Pulsierens und die Dauer ohne Kühlmittelfluss die Reaktionszeit der Pumpe 64'. Das heißt, die Pumpe 64' braucht eine bestimmte Zeitdauer, um von keinem Fluss zu der geforderten Durchflussmenge und von der geforderten Durchflussmenge zum Fluss null zu gehen.
  • Somit kann die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung mit einem Brennstoffzellensystem 20' mit einem Kühlmittelversorgungsteilsystem 30' genutzt werden, das eine einzige Pumpe nutzt, um sowohl eine kontinuierliche Durchflussmenge als auch eine diskontinuierliche Durchflussmenge zu liefern, um unabhängig vom Leistungspegel des Betriebs des Brennstoffzellenstapels die feste Temperaturänderung durch den Kühlmittelflussweg aufrechtzuerhalten.
  • Anhand von 3 ist nun die dritte bevorzugte Ausführungsform einer Mechanisierung des Brennstoffzellensystems 20'' veranschaulicht, mit dem die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30'' des Brennstoffzellensystems 20'' unterscheidet sich von den Mechanisierungen, die in der ersten und in der zweiten Ausführungsform verwendet werden, die in den 1 und 2 gezeigt sind. Genauer werden in dieser Mechanisierung zwei getrennte Pumpen 90'', 92'' genutzt, um die geforderten Flussregimes zu erfüllen. Die erste Pumpe 90'' ist so beschaffen, dass sie die kontinuierliche Durchflussmenge des Kühlmittels liefert, während die zweite Pumpe 92'' so beschaffen ist, dass sie den diskontinuierlichen Kühlmittelfluss oder Impuls-Kühlmittelfluss liefert. Somit ist die erste Pumpe 90'' von einem Typ, der effizient eine kontinuierliche Durchflussmenge veränderlicher Größe liefert, während die zweite Pumpe 92'' von dem Typ ist, der effizient eine diskontinuierliche Durchflussmenge oder Impulse der Durchflussmenge liefert. Zum Beispiel kann die erste Pumpe 90'' eine Kreiselpumpe mit variabler Geschwindigkeit sein, während die zweite Pumpe 92'' eine Verdrängerpumpe mit variablen Volumen sein kann.
  • In Verbindung mit der Steuereinheit 32'' steht ein Ventil 94'', das wahlweise betreibbar ist, um das durch das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30'' fließende Kühlmittel entweder zu der ersten Pumpe 90'' oder zu der zweite Pumpe 92'' zu leiten. Das erste und das zweite Absperrventil 96'', 97'' der ersten bzw. zweiten Pumpe 90'', 92'' verhindern den Rückfluss durch die zugeordnete Pumpe, wenn die andere Pumpe arbeitet, um dem Kühlmittelflussweg den Kühlmittelfluss zuzuführen. Unterstromig der ersten bzw. zweiten Pumpe 90'', 92'' sind Sensoren 98'', 99'' die mit der Steuereinheit 32'' in Verbindung stehen. Die Sensoren 98'', 99'' liefern an die Steuereinheit 32'' Informationen wie etwa die durch jede Pumpe 90'', 92'' erzeugten Durchflussmengen.
  • Wenn das Flussregime bei dieser Mechanisierung einen kontinuierlichen Fluss von Kühlmittel durch den Kühlmittelflussweg verlangt, weist die Steuereinheit 32'' das Ventil 94'' an, das gesamte durch das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30'' fließende Kühlmittel zunächst zur ersten Pumpe 90'' zu leiten. Außerdem weist die Steuereinheit 32'' die erste Pumpe 90'' an, mit einer ersten Geschwindigkeit zu arbeiten, die die geforderte Kühlmitteldurchflussmenge durch den Kühlmittelflussweg innerhalb des Brennstoffzellenstapels 22'' zuführt. Wenn das geforderte Flussregime erfordert, dass der Kühlmittelfluss durch den Kühlmittelflussweg gepulst wird, schaltet die Steuereinheit 32'' den Betrieb der ersten Pumpe 90'' ab und weist das Ventil 94'' an, das gesamte durch das Kühlmittelversorgungsteilsystem 30'' fließende Kühlmittel zur zweiten Pumpe 92'' zu leiten. Daraufhin weist die Steuereinheit 32'' die zweite Pumpe 92'' an, das Kühlmittel wahlweise durch den Kühlmittelflussweg des Brennstoffzellenstapels 22'' zu pulsen. Um die Größe der Impulse des durch den Brennstoffzellenstapel 22'' fließenden Kühlmittels zu ändern, kann das Volumen der zweiten Pumpe 92'' eingestellt werden (kann z. B. der Hub eingestellt werden). Das heißt, durch Einstellen des Volumens des Kühlmittels in jedem Impuls der Pumpe 92'' kann die Menge des der zweiten Pumpe 92'' durch jeden Impuls zugeführten Kühlmittels eingestellt werden. Die Steuereinheit 32'' weist die zweite Pumpe 92'' an, für die geforderte Zeitdauer zu pulsen, die ausreicht, um die notwendige Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel 22'' zu entfernen und eine Flussgeschwindigkeit zu liefern, die ausreicht, um Gasblasen zu entfernen. Die Steuereinheit 32'' weist die zweite Pumpe 92'' an, für die geforderte Zeitdauer ohne Fluss im Leerlauf zu bleiben, wobei sie keinen Kühlmittelfluss durch den Brennstoffzellenstapel 22'' liefert.
  • Es ist festzustellen, dass die zweite Pumpe 92'' keine Verdrängerpumpe zu sein braucht. Eher könnte die zweite Pumpe 92'' eine Pumpe mit kontinuierlichem Fluss wie etwa eine Kreiselpumpe, die so bemessen ist, dass sie die niedrigeren Durchflussmengen (relativ zur Vollleistung) liefert und schnell ein- und ausgeschaltet werden kann, um die geforderte Durchflussmenge durch den Kühlmittelflussweg zu pulsen, oder eine Kreiselpumpe, die in der Rückspeisebetriebsart arbeitet, wobei die Rückspeisung aussetzend ausgeschaltet wird, um dem Kühlmittelimpuls zu liefern, sein.
  • Somit schafft die Steuerstrategie der vorliegenden Erfindung eine Einstellung einer Kühlmitteldurchflussmenge durch den Kühlmittelflussweg eines Brennstoffzellenstapels, um die Kühlmitteltemperaturänderung (und die Katodentemperaturänderung) über den Kühlmittelflussweg (und über den Katodenflussweg) im Wesentlichen konstant zu halten, während sich der Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels ändert. Die Temperaturänderung wird für den spezifischen genutzten Brennstoffzellenstapel gewählt und führt zu einem Profil der relativen Feuchtigkeit, das ein Untertauchen und ein Austrocknen der Membranen innerhalb der Brennstoffzellen verhindert. Außerdem ermöglicht die Steuerstrategie den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit hoher Stromdichte während Nennbetriebsbedingungen. Außerdem ermöglicht die Steuerstrategie eine schnelle Rückkehr zum Betrieb mit hoher Stromdichte, wenn eine Auslenkung außerhalb des Betriebsbereichs mit hoher Stromdichte auftritt. Außerdem vermeidet die vorliegende Erfindung große Druckdifferenzen und/oder große Temperaturdifferenzen, die die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Brennstoffzellenstapels beeinflussen können. Die Kühlmitteldurchflussmenge durch den Brennstoffzellenstapel kann nach Bedarf kontinuierlich und diskontinuierlich oder pulsierend sein, um den Temperaturbereich auf einem festen Pegel zu halten. Die Steuerstrategie kann mit einer Vielzahl von Me chanisierungen für ein Kühlmittelversorgungsteilsystem realisiert werden. Darüber hinaus kann die Steuerstrategie einen Algorithmus, der die Reaktion des Betriebs des Brennstoffzellenstapels modelliert, oder eine Nachschlagetabelle, die empirische Daten umfasst, die auf Standversuchen des Stapels oder eines vergleichbaren Brennstoffzellenstapels basieren, nutzen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (20, 20', 20'') das einen Brennstoffzellenstapel (22, 22', 22'') und ein Kühlmittelversorgungsteilsystem (30, 30', 30'') umfasst, wobei durch den Brennstoffzellenstapel (22, 22', 22'') drei voneinander unabhängige Durchflusswege in Form eines Katodenflusswegs, eines Anodendurchflusswegs und eines Kühlmittelflusswegs verlaufen, wobei das Verfahren umfasst: (a) Betreiben des Brennstoffzellenstapels (22, 22', 22'') zum Erzeugen von Elektrizität; (b) Überwachen eines Leistungspegels des Brennstoffzellenstapels (22, 22', 22''); (c) Bestimmen eines Kühlmittelflusses durch den Kühlmittelflussweg, um basierend auf dem Leistungspegel eine vorgegebene konstante Kühlmitteltemperaturänderung durch den Kühlmittelflussweg zu erzielen; und (d) Einstellen des Betriebs des Kühlmittelversorgungsteilsystems (30, 30', 30''), um den bestimmten Kühlmittelfluss zu erzielen, indem der Kühlmittelfluss als Flussimpulse durch den Kühlmittelflussweg geliefert wird, wenn der Leistungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und der Kühlmittelfluss als ein kontinuierlicher Strom durch den Kühlmittelflussweg geliefert wird, wenn der Leistungspegel einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem (c) das Bestimmen des Kühlmittelflusses mit einem Modell, das den Kühlmittelfluss liefert, umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem (c) das Bestimmen des Kühlmittelflusses mit einem Modell umfasst, das basierend auf einer relativen Auslassfeuchtigkeit für ein durch den Katodenflussweg fließendes Katodengas unter Verwendung einer relativen Feuchtigkeit des in den Katodenflussweg fließenden Katodengases, eines Druckabfalls über den Katodenflussweg, des Leistungspegels des Brennstoffzellenstapels (22, 22', 22'') und der vorgegebenen Kühlmitteltemperaturänderung den Kühlmittelfluss liefert.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem (c) das Zugreifen auf eine Nachschlagetabelle umfasst, die den Kühlmittelfluss liefert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem (c) das Zugreifen auf eine Nachschlagetabelle umfasst, die basierend auf einer relativen Auslassfeuchtigkeit für ein durch den Katodenflussweg fließendes Katodengas und unter Berücksichtigung einer relativen Feuchtigkeit des in den Katodenflussweg fließenden Katodengases, eines Druckabfalls über den Katodenflussweg, des Leistungspegel des Brennstoffzellenstapels (22, 22', 22'') und der vorgegebenen Kühlmitteltemperaturänderung den Kühlmittelfluss liefert.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Halten einer relativen Feuchtigkeit des Katodengases in dem Katodenflussweg größer als etwa 40% und kleiner als 100% während des Nennbetriebs umfasst.
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