DE102006044288B4

DE102006044288B4 - System und Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102006044288B4
Application number: DE102006044288A
Authority: DE
Inventors: Oliver Maier; Peter Willimowski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: US20070065694A1; US7588845B2; DE102006044288A1

Abstract

System (40) zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels (12), wobei das System (40) umfasst:
einen Kühlmittelkreislauf (16) zum Umwälzen eines Kühlfluides durch den Stapel (12);
einen Kühler (24) zum Kühlen von erhitztem Kühlfluid von dem Stapel (12);
ein Bypassventil (30), um selektiv zu bewirken, dass das Kühlfluid durch den Kühler (24) strömt oder diesen umgeht, wobei das Bypassventil (30) ein Dehnstoffelement (34) aufweist, das ein Heizerelement (36) besitzt, das das Dehnstoffelement (34) heizt, um zu bewirken, dass sich dieses ausdehnt;
zumindest einen Temperatursensor (18, 20) zum Messen der Temperatur des Kühlfluides und zum Bereitstellen eines Signals der gemessenen Temperatur; und
einen Regler zum Liefern eines Heizersignals an das Heizerelement (36) in dem Bypassventil (30), um zu regeln, wie viel Kühlfluid durch den Kühler (24) strömt und wie viel Kühlfluid den Kühler (24) umgeht, wobei der Regler eine PDT1-Regeleinheit (44), die auf ein Stapelenergieverlustsignal anspricht, wobei...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Regelalgorithmus für ein Bypassventil für ein thermisches Subsystem eines Brennstoffzellensystems und insbesondere einen Regelalgorithmus für ein Bypassventil, das ein Dehnstoffelement (Wachsexpansionselement) aufweist, für ein thermisches Subsystem eines Brennstoffzellensystems, wobei der Regelalgorithmus eine Regelung und Vorheizung des Dehnstoffelements unter Verwendung eines PDT1-Reglers, eines PI-Reglers und einer Nachschlagetabelle vorsieht.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann dazu dienen, ein Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr einzelne Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas auf, typischerweise eine Strömung aus Luft, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Es ist notwendig, dass ein Brennstoffzellenstapel bei einer optimalen relativen Feuchte und optimalen Temperatur arbeitet, um einen effizienten Stapelbetrieb und eine Stapelhaltbarkeit vorzusehen. Eine typische Stapelbetriebstemperatur für Kraftfahrzeuganwendungen liegt bei etwa 80°C. Die Stapeltemperatur sieht die relative Feuchte in den Brennstoffzellen in dem Stapel für einen bestimmten Stapeldruck vor. Zu große Stapeltemperaturen über der optimalen Temperatur können Brennstoffzellenkomponenten schädigen und die Lebensdauer der Brennstoffzellen reduzieren. Auch reduzieren Stapeltemperaturen unterhalb der optimalen Temperatur die Stapelleistung. Daher verwenden Brennstoffzellensysteme thermische Subsysteme, die die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel regeln, um ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Ein typisches thermisches Subsystem für einen Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel umfasst einen Kühler, ein Gebläse und eine Pumpe. Die Pumpe pumpt ein Kühlfluid, wie eine Wasser- und Glykolmischung, durch Kühlfluidkanäle in dem Brennstoffzellenstapel, wo das Kühlfluid die Stapelabwärme sammelt. Das Kühlfluid wird von dem Stapel durch ein Rohr oder einen Schlauch an den Kühler geführt, wo es durch Umgebungsluft gekühlt wird, die entweder aus einer Bewegung des Fahrzeugs oder über einen Betrieb des Gebläses durch den Kühler getrieben wird. Derartige Kühlsysteme werden beispielsweise beschrieben in: US 2005/0178523 A1 , US 6,651,761 B1 oder JP 2004 349 248 AA .
Aufgrund des hohen Bedarfs an Kühlerluftströmung, um eine große Menge an Abwärme abzuführen und damit eine relativ niedrige Betriebstemperatur vorzusehen, ist das Gebläse gewöhnlich leistungsstark und der Kühler ist relativ groß. Die physikalische Größe des Kühlers und die Leistung des Gebläses müssen im Vergleich zu denjenigen eines Verbrennungsmotors mit einer ähnlichen Nennleistung aufgrund der geringeren Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems und der Tatsache höher sein, das nur eine vergleichsweise kleine Wärmemenge durch das Kathodenabgas in dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird.
Der Brennstoffzellenstapel erfordert einen bestimmten Kühlfluiddurchsatz, um die Soll-Stapelbetriebstemperatur beizubehalten. Der Kühlfluiddurchsatz muss groß genug sein, so dass der Brennstoffzellenstapel keine heißen Stellen bekommt, die die Zellen schädigen würden. Verschiedene Systemparameter bestimmen den Kühlfluiddurchsatz, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, der elektrischen Stromdichte des Stapels, der Kühlfluidtemperatur, der Kühlfluidviskosität, dem Systemdruckabfall, der Ventilposition etc. Für ein thermisches Subsystem, das eine Zentrifugalstrompumpe verwendet, korreliert der Kühlfluiddurchfluss mit dem Systemdruckabfall, da keine Unabhängigkeit des Drucks wie bei Verdrängerpumpen existiert.
Da Brennstoffzellensysteme thermisch empfindlich sind, erfordert der Kühlfluiddurchfluss typischerweise einen Durchflussregler, wie einen Proportional-Integral-(PI)-Regler mit Rückkopplung, die in der Technik gut bekannt sind. Regler mit Rückkopplung erfordern typischerweise eine proportional regelbare Pumpe. Da der Druck nicht bekannt ist, ist der tatsächliche Kühlfluiddurchfluss für den Durchflussregler erforderlich.
1 ist ein schematisches Schaubild eines thermischen Subsystems für ein Brennstoffzellensystem 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Eine Kühlmittelkreislaufpumpe 14 pumpt ein geeignetes Kühlfluid, wie eine Wasser/Glykol-Mischung, durch einen Kühlmittelkreislauf 16 und Kühlfluiddurchflusskanäle in dem Stapel 12. Ein erster Temperatursensor 18 misst die Temperatur des Kühlfluides in dem Kühlmittelkreislauf 16, wenn es in den Stapel 12 zugeführt wird, und ein Temperatursensor 20 misst die Temperatur des Kühlfluides in dem Kühlmittelkreislauf 16, wenn es von dem Stapel 12 abgeführt wird. Eine geeignete Kühlvorrichtung, wie ein Kühler 24, kühlt das Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf von dem Stapel 12, so dass dessen Temperatur reduziert wird. Der Kühler 24 kann ein Gebläse (nicht gezeigt) aufweisen, das Kühlluft durch den Kühler 24 treibt, um den Kühlwirkungsgrad des Kühlers 24 zu steigern. Ferner können auch andere Kühlvorrichtungen anstelle des Kühlers 24 verwendet werden. Eine Bypassleitung 28 in dem Kühlmittelkreislauf 16 erlaubt, dass der Kühler 24 umgangen werden kann, wenn die Betriebstemperatur des Stapels 12 geringer als die Soll-Betriebstemperatur ist, wie während des Systemstarts. Ein Bypassventil 30 wird selektiv geregelt, um das Kühlfluid durch entweder den Kühler 24 oder durch die Bypassleitung 28 zu verteilen und zu helfen, eine Soll-Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten.
In der Technik sind verschiedene Typen von Ventilen bekannt, die als Bypassventil 30 verwendet werden können. Ein bekanntes Bypassventil für diesen Zweck ist ein motorbetriebenes Ventil, das einen Motor verwendet, um die Position des Ventils zu regeln und damit die Soll-Temperatur des Stapels 12 bereitzustellen. Derartige motorbetriebene Ventile haben sich bei der Bereitstellung der Soll-Stapeltemperatur als ziemlich gut erwiesen, da sie eine gute proportionale Bewegung des Ventilmechanismus vorsehen und eine zuverlässige Rückkopplung für einen PI-Regler bereitstellen, um die Position des Ventils herzustellen. Jedoch ist das Ventil selbst typischerweise nicht zuverlässig, da es gegenüber Lecks und anderen mechanischen Problemen anfällig ist. Ferner sind diese Typen von motorbetriebenen Ventilen teuer, groß und schwer.
In der Technik ist es auch bekannt, ein Zweiwegeventil, das einen Leistungskennfeld-Thermostaten aufweist, der ein Dehnstoffelement besitzt, als Bypassventil 30 zu verwenden. Bei einer bestimmten Ventilkonstruktion ist ein Heizerelement in dem Dehnstoffelement vorgesehen, das bewirkt, dass sich dieses bei Erhitzung ausdehnt, um das Ventil zu öffnen und das Kühlfluid durch den Kühler 24 auf proportionale Weise zu lenken. Die Dichte und das Volumen des Dehnstoffelementes ändern sich je nach der Temperatur des Elementes. Das Dehnstoffelement ist so ausgebildet, dass es bei Erhitzung bei einer bestimmten Temperatur schmilzt. Die Schmelztemperatur des Dehnstoffelementes muss im Bereich der Betriebstemperatur des Kühlfluides liegen, so dass das Kühlfluid nicht bewirkt, dass das Dehnstoffelement schmilzt. Ein Beispiel eines geeigneten Ventils zu diesem Zweck ist das kennfeldgeregelte Thermostatventil, das von Behr Thermot-Tronik GmbH in Kornwestheim, Deutschland, erhältlich ist.
2 ist ein vereinfachtes Schaubild eines Thermostatbypassventils 32. Das Ventil 32 weist ein Dehnstoffelement 34 auf, das darin einen Heizerdraht 36 besitzt. Wenn der Heizerdraht 36 abgeschaltet ist und die Kühltemperatur niedriger als die Schmelztemperatur ist, befindet sich das Dehnstoffelement 34 in seiner zusammengezogenen Position, so dass es die Strömung des Kühlfluides von dem Kühler 24 an den Stapel 12 unter Verwendung der Dichtung 66 blockiert und die Kühlfluidströmung durch die Bypassleitung 28 zulässt. Das Kühlfluid von der Bypassleitung 28 strömt durch die Öffnung 60 in das Ventil 32, das Kühlfluid von dem Kühler strömt durch die Öffnung 62 in das Ventil 32 und das Kühlfluid strömt durch die Öffnung 64 aus dem Ventil 32 heraus an die Pumpe 14. Wenn der Heizerdraht 36 eingeschaltet ist und/oder die Kühlfluidtemperatur größer als die Dehnstoffschmelztemperatur ist, so dass die Dehnstofftemperatur höher als die Dehnstoffschmelztemperatur ist, schmilzt das Dehnelement 34 und dehnt sich aus, so dass das Kühlfluid durch den Kühler 24 gelenkt wird. Der an den Heizerdraht 36 angelegte Strom wird selektiv so geregelt, dass sich das Dehnstoffelement 34 auf proportionale Weise zusammenzieht und ausdehnt, um die Menge an Kühlfluid, die durch den Kühler 24 geliefert wird, als eine Funktion der Dichtungen 66 und 68 zu regeln.
Es wird ein Regelalgorithmus verwendet, um das Heizen des Dehnstoffelementes 34 zu regeln und damit die Soll-Temperatur des Stapels 12 vorzusehen, wie oben beschrieben ist. Jedoch sind bekannte Regelalgorithmen, wie diejenigen, die für motorbetriebene Ventile verwendet werden, wegen der dynamischen Beschaffenheit des Dehnstoffelementes 34, der Schwierigkeit, sein nichtlineares Verhalten abzuschätzen, und einer fehlenden Positionsrückkopplung des Elementes 34 typischerweise nicht geeignet. Insbesondere ist es schwierig, die Abweichung des Dehnstoffelementes 34 für längere Zeitperioden zu regeln.
Wenn die Temperatur des Systems höher als der Einstellpunkt ist, weist ein normaler Regler 100% Heizerleistung für den Heizerdraht 36 an. Das Dehnstoffelement 34 dehnt sich aufgrund der Heizerleistung und der Kühltemperatur aus. Wenn die Leistung des Kühlsystems zu gering ist und der Heizerregler 100% anweist, ist die maximale Verstellung des Dehnstoffelementes 34 erreicht, so dass das Dehnstoffelement 34 überhitzt wird. Wenn der Temperatureinstellpunkt abnimmt, benötigt es eine lange Zeit, um den Pfad zu dem Kühler 24 zu schließen, da das Dehnstoff element 34 überhitzt ist. Die Folge ist eine große Zeitverzögerung, die dynamische Probleme und einen instabilen Betrieb des Stapels 12 bewirkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Regelalgorithmus für ein Bypassventil in einem thermischen Subsystem eines Brennstoffzellensystems offenbart, wobei das Bypassventil ein Dehnstoffelement aufweist, das durch ein Heizelement erhitzt wird. Der Regelalgorithmus addiert einen Ausgang von einem PDT1-Regler, einen Ausgang von einem PI-Regler und einen Ausgang von einer Nachschlagetabelle. Ein Stapelenergieverlustwert wird an den PDT1-Regler angelegt, der dem Energieverlust eine dynamische PDT-Funktion zuordnet. Die Differenz zwischen der Soll-Temperatur des Stapels und der Ist-Temperatur des Stapels wird an den PI-Regler angelegt, der einen Fehlerwert der Differenz erzeugt. Der PI-Regler wird zur Minimierung der permanenten Regelabweichung verwendet. Die Ist-Temperatur des Stapels wird an die Nachschlagetabelle angelegt, die einen Wert auf Grundlage dessen vorsieht, wie nahe die Temperatur des Stapels 12 bei der Temperatur liegt, bei der das Dehnstoffelement erhitzt wird, um zu bewirken, dass sich dieses ausdehnt. Die Werte von dem PDT1-Regler, dem PI-Regler und der Nachschlagetabelle werden addiert, um ein Ausgangssignal vorzusehen und damit den an das Heizerelement angelegten Strom und somit die auf das Dehnstoffelement aufgebrachte Wärme zu regeln.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Schaubild eines thermischen Subsystems für ein Brennstoffzellensystem, wobei das thermische Subsystem ein Bypassventil mit einem Dehnstoffelement aufweist, das durch einen Regelalgorithmus geregelt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vereinfachte Darstellung des Bypassventils in dem in 1 gezeigten thermischen Subsystem; und
3 ist ein Blockschaubild des Regelalgorithmus, um das Bypassventil zu regeln.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Regelalgorithmus zum Regeln der Position eines Bypassventils in einem thermischen Subsystem eines Brennstoffzellensystems gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
3 ist ein Blockschaubild eines Regelsystems 40, das einen Regelalgorithmus zum Regeln des Bypassventils 32 verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Regelsystem 40 weist einen Proportional-Differenzial-Regler, wie einen PDT1-Regler 44 auf, der ein Signal des thermischen Stapelenergieverlustes auf Leitung 42 aufnimmt. Der Stapelenergieverlust ist ein repräsentativer Wert der thermischen Verluste des Stapels 12 und kann durch verschiedene Techniken, die in der Technik gut bekannt sind, berechnet werden. Eine nicht beschränkende Technik zur Bestimmung des Stapelenergieverlustes umfasst ein Multiplizieren des Stapelstroms mit der Differenz zwischen der Stapelleerlaufspannung und der Stapelspannung. Der PDT1-Regler 44 sieht eine gedämpfte Ableitung des Stapelenergieverlustes vor. Wenn beispielsweise ein Leistungsschritt von einem Motorleerlauf zu einer Vollstapellast erforderlich ist, ist die Ableitung des Stapelenergieverlustsignals positiv. Dies bedeutet, dass das Dehnstoffelement 34 in dem Ventil 32 vorerhitzt wird, was die Zeitverzögerung zum Öffnen des Kühlmittelkreislaufpfades durch den Kühler 24 reduziert. Zusätzlich wird das Überschreiten der Temperatur reduziert. Geeignete Algorithmen, um eine Dämpfungsableitung in dem PDT1-Regler 44 vorzusehen, sind Fachleuten gut bekannt.
Ein Soll-Temperatureinstellpunktwert auf Leitung 46 und ein Wert der gemessenen Temperatur auf Leitung 48 werden an einen Komparator 50 angelegt, der ein Differenzsignal zwischen den beiden Temperaturwerten erzeugt. Der Soll-Temperatureinstellpunkt des Stapels 12 ist die Soll-Betriebstemperatur für ein bestimmtes Betriebsschema des Systems 10 an einen bestimmten Ort in dem thermischen Subsystem. Die gemessene Temperatur kann von dem Temperatursensor 18, dem Temperatursensor 20 oder einem anderen Temperatursensor, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, gemessen werden. Wenn beispielsweise der Algorithmus versucht, die Temperatur des Stapels 12 bei einer bestimmten Temperatur zu halten, dann ist dieser Wert der Temperatureinstellpunkt, und die gemessene Temperatur ist die Temperatur des Kühlfluides, die von dem Sensor 20 an dem Ausgang des Stapels gemessen wird.
Das Differenzsignal von dem Komparator 50 wird an einen Proportional-Integral-(PI)-Regler 52 angelegt, der als ein Standardtemperaturregler mit Rückkopplung funktioniert. Der PI-Regler 52 sieht eine Proportional- und Integral-Regelung für das Differenzsignal vor, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen dem Temperatureinstellpunktwert und dem Wert der gemessenen Temperatur reduziert. Bei einer Ausführungsform ist der Bereich der Regelung, der von dem PI-Regler 52 vorgesehen wird, relativ klein, da er nur einen Anteil des Gesamtausganges darstellt, der die Position des Ventils 32 regelt. Wenn beispielsweise der Temperatureinstellpunktwert größer als der Wert der gemessenen Temperatur ist, gibt dann der Komparator 50 einen positiven Wert aus, der einen negativen Proportional-Integral-Wert an dem Ausgang des Reglers 52 erzeugt, so dass die Temperatur des Kühlfluids steigt. PI-Regler dieses Typs sind in der Technik gut bekannt.
Der Ist-Temperaturwert auf Leitung 48 wird auch an eine Nachschlagetabelle 54 angelegt. Wie oben beschrieben ist, wird angestrebt, die Temperatur des Stapels 12 bei einer Soll-Betriebstemperatur zu halten. Die Ausgangsleistung des Stapels 12 und andere Faktoren bestimmen, wie viel Kühlfluid durch den Kühler 24 strömen muss, um diese Temperatur bereitzustellen. Wenn die Temperatur des Kühlfluides zunimmt, wird das Ventil 32 mehr geöffnet, so dass mehr Kühlfluid durch den Kühler 24 strömt.
Das Dehnstoffelement 34 in dem Ventil 32 ist so konstruiert, dass es bei einer bestimmten Temperatur schmilzt, um das Ventil 32 zu öffnen. Diese Schmelztemperatur muss in dem Bereich der maximalen Betriebstemperatur des Stapels 12 liegen, da die Temperatur des durch das Ventil 32 strömenden Kühlfluides bewirken soll, dass bei Systemfehlern der Dehnstoff schmilzt und das Ventil 32 öffnet. Die Nachschlagetabelle 54 verwendet die Ist-Temperaturmessung, um vorherzusehen, wann das Bypassventil 32 geöffnet werden soll und um wie viel es geöffnet werden soll. Der Ausgang der Nachschlagetabelle 54 sieht einen Wert auf Grundlage der gemessenen Temperatur vor, der die richtige Menge an Strom an den Heizerdraht 36 anlegt, um die Temperatur des Dehnstoffelementes 34 auf gerade unter seine Schmelztemperatur anzuheben, so dass sie näher an seiner Schmelztemperatur liegt, wenn das Bypassventil 32 geöffnet werden soll. Wenn beispielsweise das Bypassventil 30 so konstruiert ist, dass es geöffnet wird, wenn die gemessene Temperatur 75°C erreicht, dann stellt, wenn sich die gemessene Temperatur diesem Wert annähert, die Nachschlagetabelle 54 ein Stromsignal für den Heizerdraht 36 bereit, der das Dehnstoffelement 34 bis gerade unter seine Schmelztemperatur vorheizt, so dass die Zeitverzögerung beim Öffnen des Ventils 30 minimiert ist.
Die Regelwerte von dem PDT1-Regler 44, dem PI-Regler 52 und der Nachschlagetabelle 54 werden von einem Addierer 56 addiert. Der addierte Regelwert wird dann von dem Regler 26 verwendet, um den Betrag an Widerstandsheizung, die von dem Draht 36 vorgesehen wird, zu bestimmen, um das Dehnstoffelement 34 aufzuheizen und damit das Bypassventil 32 zu öffnen und zu schließen.

Claims

System (40) zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels (12), wobei das System (40) umfasst: einen Kühlmittelkreislauf (16) zum Umwälzen eines Kühlfluides durch den Stapel (12); einen Kühler (24) zum Kühlen von erhitztem Kühlfluid von dem Stapel (12); ein Bypassventil (30), um selektiv zu bewirken, dass das Kühlfluid durch den Kühler (24) strömt oder diesen umgeht, wobei das Bypassventil (30) ein Dehnstoffelement (34) aufweist, das ein Heizerelement (36) besitzt, das das Dehnstoffelement (34) heizt, um zu bewirken, dass sich dieses ausdehnt; zumindest einen Temperatursensor (18, 20) zum Messen der Temperatur des Kühlfluides und zum Bereitstellen eines Signals der gemessenen Temperatur; und einen Regler zum Liefern eines Heizersignals an das Heizerelement (36) in dem Bypassventil (30), um zu regeln, wie viel Kühlfluid durch den Kühler (24) strömt und wie viel Kühlfluid den Kühler (24) umgeht, wobei der Regler eine PDT1-Regeleinheit (44), die auf ein Stapelenergieverlustsignal anspricht, wobei die PDT1-Regeleinheit (44) ein PDT1-Signal auf Grundlage des Stapelenergieverlustsignals erzeugt, einen Komparator (50), der auf ein Signal eines vorbestimmten Temperatureinstellpunkts und das Signal der gemessenen Temperatur anspricht und ein Differenzsignal der Differenz dazwischen vorsieht, eine PI-Regeleinheit (52), die auf das Differenzsignal an spricht und ein PI-Signal vorsieht, um das Differenzsignal zu minimieren, und eine Nachschlagtabelle (54) aufweist, die auf das Signal der gemessenen Temperatur anspricht, wobei die Nachschlagetabelle (54) ein Vorheizsignal zum Vorheizen des Heizerelementes (36) auf Grundlage des Signals der gemessenen Temperatur vorsieht, wobei der Regler das PDT1-Signal, das PI-Signal und das Vorheizsignal addiert, um das Heizersignal vorzusehen.
System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (18) die Temperatur des Kühlfluides kurz vor dessen Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (12) misst.
System nach Anspruch 1, wobei Temperatursensor (20) die Temperatur des Kühlfluides kurz nach dessen Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel (12) misst.
System nach Anspruch 1, wobei der Temperatursensor (20) die Temperatur des Kühlfluides kurz nach dessen Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel (12) misst, und der Temperatursensor (18) die Temperatur des Kühlfluides kurz vor dessen Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (12) misst, wobei das Signal der gemessenen Temperatur ein Mittel der beiden gemessenen Temperaturen darstellt.
System nach Anspruch 1, wobei der Regler das Stapelenergieverlustsignal durch Multiplikation des Stapelstroms mit der Differenz zwischen der Stapelleerlaufspannung und der Stapelspannung bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die PDT1-Regeleinheit (44) eine gedämpfte Ableitung des Stapelenergieverlustsignals vorsieht.
System nach Anspruch 1, wobei das PI-Signal ein relativ kleiner Anteil des Heizersignals ist.
System nach Anspruch 1, wobei mehr Kühlfluid durch den Kühler (24) strömt, wenn sich das Dehnstoffelement (34) ausdehnt.
System nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) sich an einem Fahrzeug befindet.
Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels (12), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Kühlfluid durch den Stapel (12) umgewälzt wird; bewirkt wird, dass sich ein Dehnstoffelement (34) in einem Bypassventil (30) ausdehnt oder zusammenzieht, um selektiv zu regeln, ob das Kühlfluid einen Kühler (24) außerhalb des Stapels (12) umgeht; die Temperatur des Kühlfluids gemessen wird; ein erstes Regelsignal auf Grundlage des Stapelenergieverlustes bereitgestellt wird; ein zweites Regelsignal bereitgestellt wird, das die Differenz zwischen dem Signal der gemessenen Temperatur und einem Signal eines vorbestimmten Temperatureinstellpunktes minimiert; ein drittes Regelsignal auf Grundlage des Signals der gemessenen Temperatur bereitgestellt wird; und das erste, zweite und dritte Regelsignal kombiniert werden, um ein kombiniertes Signal vorzusehen, das die Ausdehnung des Dehnstoffelementes (34) regelt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bereitstellen eines ersten Regelsignals umfasst, dass ein PDT1-Regler (44) verwendet wird, um eine Dämpfungsableitung des Stapelenergieverlustes vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bereitstellen eines zweiten Regelsignals umfasst, dass eine PI-Regeleinheit (52) verwendet wird, um die Differenz zwischen dem Signal der gemessenen Temperatur und dem Temperatureinstellpunktsignal zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Bereitstellen des dritten Regelsignals umfasst, dass eine Nachschlagetabelle (54) verwendet wird, um ein Vorheizsignal zum Vorheizen des Dehnstoffelementes (34) auf Grundlage des Signals der gemessenen Temperatur bereitzustellen.