DE102007022203A1

DE102007022203A1 - Brennstoffzellenbetrieb zur Minimierung eines Pendelns der RF, um die Haltbarkeit zu verbessern

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Publication number: DE102007022203A1
Application number: DE102007022203A
Authority: DE
Inventors: William H. Pettit; John C. Fagley; John P. Salvador; Steven G. Goebel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2027-05-12
Also published as: JP2007311348A; JP4801003B2; DE102007022203B4; CN101075683A; US20070265802A1; US7597975B2; CN100555725C

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem weist einen überspannenden Algorithmus auf, um eine Strategie bereitzustellen, die ein Pendeln der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases zwischen einem feuchten und trockenen Betrieb reduziert, um die Nutzlebensdauer der Membran auszudehnen. Der Algorithmus nimmt Sensorsignale auf, die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems angeben. Der Algorithmus behält eine relative Feuchte des Kathodenabgases in einer feuchten Betriebsart bei, wenn die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in der Lage sind, die relative Feuchte des Kathodengases über einen vorbestimmten Wert zu halten, und behält die relative Feuchte des Kathodenabgases in einer trockenen Beriebsart bei, wenn die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in der Lage sind, die relative Feuchte des Kathodengases unter einem zweiten vorbestimmten Wert zu halten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das einen Algorithmus verwendet, der eine Strategie zur Beibehaltung der Kathodenauslassgasfeuchte vorsieht, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das einen überspannenden Algorithmus zur Beibehaltung der Kathodenauslassgasfeuchte bei einer feuchten oder trockenen Betriebsart verwendet, um so ein Pendeln der Membranfeuchte zu verhindern.
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 aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen 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.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt) auf, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas auf, typischerweise eine Strömung aus Luft, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Jede Bipolarplatte weist eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbar te Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus leiten. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Übermäßige Stapeltemperaturen können die Membrane und andere Materialien in dem Stapel beschädigen. Brennstoffzellensysteme verwenden daher ein thermisches Subsystem, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu steuern. Insbesondere wird ein Kühlfluid durch die Kühlfluidströmungskanäle in den Bipolarplatten in dem Stapel gepumpt, um Stapelabwärme davon abzuziehen. Im normalen Brennstoffzellenstapelbetrieb wird die Drehzahl der Pumpe auf Grundlage der Stapellast, der Umgebungstemperatur und anderer Faktoren gesteuert, so dass die Betriebstemperatur des Stapels bei einer optimalen Temperatur, beispielsweise 80°C, beibehalten wird. In einer Kühlmittelschleife außerhalb des Stapels ist typischerweise ein Kühler vorgesehen, der das von dem Stapel erhitzte Kühlfluid kühlt, wobei das gekühlte Kühlfluid durch den Stapel zurückgeführt wird.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, arbeiten Brennstoffzellenmembrane mit einer bestimmten relativen Feuchte (RF). Die relative Feuchte des Kathodenauslassgases von dem Brennstoffzellenstapel wird gesteuert, um die relative Feuchte der Membrane zu steuern, indem verschiedene Stapelbetriebsparameter, wie Stapeldruck, Temperatur, Kathodenstöchiometrie und die relative Feuchte der Kathodenluft in den Stapel hinein ge steuert werden. Aus Stapelhaltbarkeitsgründen ist es erwünscht, die Anzahl von Pendelvorgängen der relativen Feuchte der Membran zu minimieren, da ein Pendeln zwischen RF-Extremen eine ernsthafte Beschränkung der Membranlebensdauer gezeigt hat. Der hier verwendete Begriff "Pendeln der RF" betrifft eine Änderung der relativen Feuchte der Membran über und unter 100 %. Ein Pendeln der RF der Membran bewirkt, dass sich die Membran als Ergebnis der Absorption von Wasser und einem anschließenden Trocknen ausdehnt und zusammenzieht. Diese Expansion und Kontraktion der Membran bewirkt Stiftlöcher in der Membran, die einen Wasserstoff- und Sauerstoffübertritt durch die Membran bewirken, der heiße Stellen erzeugt, die die Größe des Loches in der Membran weiter erhöhen, wodurch deren Lebensdauer reduziert wird.
Beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems überschreitet die relative Feuchte des Kathodenauslassgases typischerweise 100 %, da das kalte Kathodenabgas nicht in der Lage ist, sehr viel Wasserdampf zu halten. Wenn sich der Brennstoffzellenstapel aufheizt und die Last auf den Stapel zunimmt, ist die Wärmeabführfähigkeit des thermischen Subsystems typischerweise nicht ausreichend, um die relative Feuchte des Kathodenauslassgases über 100 % aufrechtzuerhalten, da dies eine große Kühlkapazität des thermischen Subsystems erfordern würde. Daher erfolgt ein Wechsel zur Reduzierung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases zu einem trockeneren Membranzustand. Dabei gehen viele Faktoren ein, ob das Brennstoffzellensystem in einem feuchten oder trockenen Zustand arbeitet, einschließlich einer Last auf den Stapel, einer Umgebungstemperatur, einer Kühlkapazität des thermischen Subsystems, etc.
Wenn sich die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems ändern, besteht die Tendenz, dass die relative Feuchte des Kathodenauslassgases zwischen einem feuchten Betriebszustand und einem trockenen Betriebs zustand hin und her pendelt. Wie hier beschrieben ist, betrifft der "feuchte Betriebszustand" eine relative Feuchte des Kathodenabgases von größer als 100 %, und der "trockene Betriebszustand" betrifft eine relative Feuchte des Kathodenabgases von kleiner als 100 %. Daher wäre es erwünscht, das Pendeln der RF der Membran beim Betrieb des Stapels zu reduzieren, um die Lebensdauer der Membrane in dem Stapel zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen überspannenden Algorithmus aufweist, um eine Strategie bereitzustellen, die ein Pendeln der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases zwischen einem feuchten und trockenen Betrieb reduziert, um die Nutzlebensdauer der Membran zu verlängern. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Controller, der die verschiedenen Systemkomponenten, wie Ventile, Kompressoren, etc. in dem Brennstoffzellensystem auf Grundlage von Sensorablesungen von Sensoren und einer Leistungsanforderung von dem Fahrzeugbediener steuert. Der überspannende Algorithmus verwendet die Sensorablesungen von den Sensoren, um einen gewünschten Einstellpunkt der relativen Feuchte des Kathodenabgases vorzusehen, der auch von dem Controller dazu verwendet wird, die Aktuatoreinstellungen festzulegen, um das Pendeln der RF zu reduzieren.
Beim Kaltstart sieht der Algorithmus einen RF-Einstellpunkt für eine feuchte Betriebsart, bei der die relative Feuchte des Kathodenabgases bei einem Prozentsatz von über 100 % beibehalten wird, auf Grundlage der gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Systems vor. Beim Brennstoffzellensystembetrieb verwendet der Algorithmus die Sensorablesungen, um eine maximale relative Feuchte zu berechnen, die von dem System aufrecht erhaltbar ist. Der Algorithmus bestimmt dann, ob die maximale rela tive Feuchte über einem vorbestimmten Prozentsatz, d.h. in der feuchten Betriebsart des Systems liegt. Wenn die gegenwärtigen Betriebsbedingungen des Systems in der Lage sind, die feuchte Betriebsart aufrecht zu erhalten, dann liefert der Algorithmus den Einstellpunkt der relativen Feuchte an den Controller, so dass der Controller die Systemkomponenten für die feuchte Betriebsart steuert. Wenn die Sensorsignale angeben, dass das System nicht in der Lage ist, die feuchte Betriebsart aufrecht zu erhalten, dann liefert der Algorithmus einen Einstellpunkt der relativen Feuchte für eine trockene Betriebsart, und der Controller steuert die Systemkomponenten demgemäß, um diese relative Feuchte beizubehalten.
Sobald der Algorithmus von der feuchten Betriebsart zu der trockenen Betriebsart schaltet, berechnet der Algorithmus dann eine minimale relative Feuchte des Kathodenauslassgases auf Grundlage der Sensorsignale, um die trockene Betriebsart beizubehalten. Wenn sich die Betriebsbedingungen des Systems ändern, so dass sie nicht in der Lage sind, die trockene Betriebsart aufrecht zu erhalten, dann schaltet der Algorithmus den Einstellpunkt zurück zu der feuchten Betriebsart.
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 Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen überspannenden Algorithmus verwendet, um einen RF-Einstellpunkt für das Kathodenauslassgas vorzusehen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des überspannenden Algorithmus zur Beibehaltung des Einstellpunktes der relativen Feuchte des Kathodenabgases für eine feuchte Betriebsart zeigt; und
3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des überspannenden Algorithmus zur Aufrechterhaltung des Einstellpunktes der relativen Feuchte des Kathodenabgases für eine trockene Betriebsart zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das einen überspannenden Algorithmus verwendet, der ein Pendeln der RF des Kathodenabgases reduziert, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das Brennstoffzellensystemkomponenten 12 aufweist, die einen Brennstoffzellenstapel aufweisen. Wie oben beschrieben ist, besitzt ein Kathodenauslassgas von dem Brennstoffzellenstapel eine bestimmte relative Feuchte, die die relative Feuchte der Membrane in dem Stapel definiert. Wie hier beschrieben ist, steht ein feuchter Betriebszustand mit einem Kathodenauslassgas mit einer relativen Feuchte von größer als 100 % in Verbindung, und steht ein trockener Betriebszustand mit einem Kathodenauslassgas mit einer relativen Feuchte von weniger als 100 % in Verbindung. Als ein Ergebnis von Variationen von Zelle zu Zelle und Strömungsunsicherheiten kann, um eine feuchte oder trockene Betriebsart von allen Brennstoffzellen in dem Stapel sicherzustellen, der Nenn-RF-Betriebspunkt für die feuchte Betriebsart 120 % sein und der Nenn-RF-Betriebspunkt für die trockene Betriebsart 80 % sein. Jedoch sind, wie es dem Fachmann offensichtlich ist, diese Werte lediglich repräsentativ, da andere RF-Werte gleichermaßen anwendbar sind.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Controller 14 auf, der den Betrieb der Brennstoffzellensystemkomponenten 12 steuert. Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch ein Leistungsanforderungsmodul 16 auf, das ein Leistungsanforderungssignal von dem Fahrzeugbediener auf Leitung 18 liefert. Der Controller 14 liefert Aktuatoreinstellsignale auf Leitung 20, die die Position der verschiedenen Aktuatoren und anderen Komponenten in den Brennstoffzellensystemkomponenten 12, wie eine Kompressordrehzahl, eine Pumpendrehzahl, eine Kühlgebläsedrehzahl des Kühlers, Ventilpositionen, etc., einstellen, auf Grundlage von Sensorsignalen von den Komponenten 12 auf Leitung 22, wie Drucksensoren, Temperatursensoren, Sensoren für relative Feuchte, etc., und einem Einstellpunkt der relativen Feuchte auf Leitung 28, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Gemäß der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem 10 einen überspannenden Betriebsalgorithmus 24 auf, der den RF-Einstellpunkt auf der Leitung 28 vorsieht. Der Algorithmus 24 nimmt die Sensorsignale auf Leitung 26 von dem Controller 14 auf, die für die Sensorsignale, die auf der Leitung 22 vorgesehen sind, repräsentativ sind. Auf Grundlage der Sensorsignale bestimmt der Algorithmus 24, ob die Betriebsbedingungen des Systems 10 eine feuchte Betriebsart aufrecht erhalten können, wenn das System 10 gegenwärtig in der feuchten Betriebsart arbeitet, oder eine trockene Betriebsart aufrecht erhalten können, wenn das System 10 gegenwärtig in einer trockenen Betriebsart arbeitet. Auf Grundlage dieser Bestimmung liefert der Algorithmus 24 das RF-Einstellpunktsignal auf der Leitung 28 an den Controller 14, so dass der Controller 14 den Einstellpunkt zur Steuerung der Aktuatoreinstellungen auf der Leitung 20 in Kombination mit der Leistungsanforderung auf der Leitung 18 und den Sensorsignalen auf der Leitung 22 verwenden kann. Auf diese Weise reduziert der Algorithmus 24 das Pendeln der RF des Kathodenabgases, um so die mechanische Beanspruchung auf die Membrane in dem Brennstoffzellenstapel zu reduzieren, wodurch die Stapellebensdauer erhöht wird.
2 ist ein Flussdiagramm 40, das den Betrieb des überspannenden Algorithmus 24 bei dem Versuch zeigt, die feuchte Betriebsart des Systems 10 beizubehalten. Typischerweise startet das Brennstoffzellensystem 10 im Kaltstart, bei dem die Fähigkeit des Kathodenabgases zum Halten von Wasserdampf gering ist. Zu Beginn des überspannenden Algorithmus 24 wird bei Kasten 42 ein Flag für die feuchte Betriebsart gesetzt. Der Algorithmus 24 erhält dann bei Kasten 44 die Sensorsignale von den Sensoren 46, die die oben beschriebenen Sensoren repräsentieren, und berechnet eine maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte des Kathodenabgases. Der Algorithmus 24 versucht, so lang wie möglich nach dem Start des Brennstoffzellensystems durch Verwendung von Betriebsstrategien, wie dem maximalen Gebrauch des Kühlers, in der feuchten Betriebsart zu bleiben. Der Algorithmus 24 verwendet die Sensorsignale von den Sensoren 46, um zu bestimmen, ob das System 10 die feuchte Betriebsart für die gegenwärtigen Betriebsparameter aufrechterhalten kann, indem die maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte berechnet wird. Die Gleichungen, die verwendet werden, um die maximale relative Feuchte zu berechnen, sind in der Technik gut bekannt.
Der Algorithmus 24 vergleicht dann bei einer Entscheidungsraute 48 die maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte mit einem vorbestimmten Prozentsatz der relativen Feuchte in dem feuchten Betriebsbereich. Bei diesem Beispiel beträgt der vorbestimmte feuchte Prozentsatz der relativen Feuchte 105 %, wobei dies jedoch ein nicht beschränkendes Beispiel ist, da auch andere Werte verwendet werden können, die über 100 % liegen. Wenn die berechnete maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte größer als der vorbestimmte feuchte Prozentsatz ist, dann setzt der Algorithmus 24 bei Kasten 50 den feuchten Einstellpunkt der relativen Feuchte auf einen Einstellpunkt des vorbestimmten Prozentsatzes der relativen Feuchte, wie 120 %. Wie oben beschrieben ist, ist der Einstellpunkt der relativen Feuchte von 120 % für die feuchte Betriebsart ein nicht beschränkendes Beispiel, da andere Einstellpunkte der relativen Feuchte für die feuchte Betriebsart verwendet werden können. Der Algorithmus 24 sendet dann bei Kasten 52 den Einstellpunkt der relativen Feuchte an den Controller 14 auf Leitung 54, die die Leitung 28 repräsentiert. Der Algorithmus wartet dann bei Kasten 56 eine vorbestimmte Zeitdauer ab, wie eine Sekunde, und kehrt zu dem Schritt des Empfangs von Sensorsignalen und der Berechnung der maximalen relativen Feuchte bei dem Kasten 44 zurück.
Nach dem Systemstart üben viele Faktoren einen Einfluss darauf aus, ob der Betriebszustand des Systems 10 in der feuchten Betriebsart beibehalten werden kann, wie Häufigkeit und Ausmaß von Beschleunigungsvorgängen, Zeit, die im Leerlauf verbracht wird, Schleppbetrieb, Streckendauer, Umgebungstemperaturen, etc. Wenn jedoch diese verschiedenen Faktoren bewirken, dass der Algorithmus 24 die maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte mit kleiner als 105 % bei der Entscheidungsraute 48 berechnet, muss dann das System 10 nun in die trockene Betriebsart schalten, wobei der Flag bei Kasten 58 auf die trockene Betriebsart gesetzt wird. Ferner wird der RF-Einstellpunkt auf einen trockenen Einstellpunkt einer relativen Feuchte, beispielsweise 80 %, für die trockene Betriebsart gesetzt, der bei Kasten 52 durch den Algorithmus 24 auf der Leitung 54 geliefert wird. Nun versucht der Algorithmus 24, die Betriebsart des Systems 10 in der trockenen Betriebsart beizubehalten.
Es kann eine gewisse Heuristik in das System 10 eingebaut sein, um das Schalten zwischen der feuchten Betriebsart und der trockenen Betriebsart zu steuern. Beispielsweise können der Schwellenwert der relativen Feuchte, wie oben beschrieben ist, und die Wartezeit zwischen dem Abtasten der Sensorsignale für bestimmte Fahrtmuster, Fahrzeugcharakteristiken, Umgebungstemperatur, etc. optimiert sein. Zusätzlich kann eine Logik verwendet werden, so dass, wenn eine bestimmte Anzahl von Wechseln zwischen den feuchten und trockenen Betriebsarten über die vergangene vorbestimmte Anzahl von Minuten vorhanden ist, das System für zumindest eine vorbestimmte Anzahl von Minuten nicht in die feuchte Betriebsart zurückkehrt oder alternativ dazu in die trockene Betriebsart schaltet. Diese Einstellungen helfen, ein wiederholtes Pendeln zwischen den feuchten und trockenen Betriebsarten für Situationen zu vermeiden, in denen die Stapellast pendelt.
Sobald der Algorithmus 24 in die trockene Betriebsart geschaltet hat, schaltet der Algorithmus 24 zu einer Strategie der trockenen Betriebsart. 3 ist ein Flussdiagramm 60, das die Strategie der trockenen Betriebsart zeigt, wobei dieselben Schritte mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Der Algorithmus 24 leitet bei Kasten 62 die Strategie der trockenen Betriebsart ein, wobei der Flag auf Trocken gesetzt worden ist. Der Algorithmus 24 erhält dann die Sensorsignale von den Sensoren 46 und berechnet bei Kasten 64 eine minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte auf Grundlage der Betriebsbedingungen des Systems 10. Der Fachmann weiß, welche Gleichungen verwendet werden können, um die minimale relative Feuchte zu berechnen.
Der Algorithmus 24 bestimmt bei der Entscheidungsraute 66 dann, ob die minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte größer als ein vorbestimmter Prozentsatz der relativen Feuchte ist, der in dem Betriebsbereich der trockenen Betriebsart unter 100 % liegt. Bei dieser Ausführungsform beträgt dieser Wert 95 %, wobei dies jedoch ein nicht beschränkendes Beispiel ist. Die Berechnung der minimalen aufrechterhaltbaren relativen Feuchte bei dem Kasten 64 berücksichtigt bestimmte Betriebsbedingungen, wie ein ausreichend befeuchtetes Kathodeneingangsgas, um ein Austrocknen der Membran zu vermeiden, und eine vernünftig geringe Kathodenstöchiometrie, um einen hohen Systemwirkungsgrad zu erreichen. Wenn die gegenwärtigen Betriebsparameter des Systems 10 in der Lage sind, eine relative Feuchte unter 95 % aufrecht zu erhalten, dann behält der Algorithmus 24 bei dem Kasten 58 den Einstellpunkt der relativen Feuchte bei 80 % bei und sendet den RF-Einstellpunkt bei dem Kasten 52 auf der Leitung 54 an den Controller 14. Wenn jedoch die minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte bei der Entscheidungsraute 66 größer als 95 % ist, dann schalten die Algorithmen 24 in die feuchte Betriebsart, indem bei dem Kasten 50 der Einstellpunkt der relativen Feuchte auf 120 % gesetzt wird und der Flag auf Feucht gesetzt wird. Der Algorithmus 24 überträgt dann bei dem Kasten 52 den RF-Einstellpunkt der feuchten Betriebsart auf der Leitung 54.
Wie oben beschrieben ist, kann eine bestimmte Heuristik in das System 10 eingebaut sein. Beispielsweise können die Schwellen-RF-Werte und die Wartezeit zwischen einer Abtastung der Sensorsignale für Fahrtstandards, Fahrzeugcharakteristiken, Umgebungstemperatur, etc. optimiert sein. Zusätzlich kann eine Logik verwendet werden, so dass, wenn eine bestimmte Anzahl von Übergängen zwischen den feuchten und trockenen Betriebsarten über die vergangene vorbestimmte Anzahl von Minuten aufgetreten ist, das System für zumindest eine vorbestimmte Anzahl von Minuten nicht in die trockene Betriebsart zurückkehrt oder alternativ zu der Strategie der feuchten Betriebsart schaltet.
Auf Grundlage von Umgebungsbedingungen, Fahrtmustern, etc. kann die Strategie entweder in der feuchten Betriebsart oder der trockenen Betriebsart laufen. Wenn die gegenwärtige Strategie nicht richtig arbeitet, beispielsweise das System 10 sich in einer feuchten Betriebsart befindet und häufige Auslenkungen in der trockenen Betriebsart vorhanden sind, kann die Entscheidung gemacht werden, in die alternative Strategie zu schalten. Auf diese Weise kann ein Pendeln zwischen Betriebsabläufen in der feuchten und trockenen Betriebsart minimiert werden.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zum Steuern einer relativen Feuchte eines Kathodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: Sensorsignale bereitgestellt werden, die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems angeben; eine maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte des Kathodenabgases auf Grundlage der Sensorsignale berechnet wird; bestimmt wird, ob die berechnete maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte größer als ein vorbestimmter Prozentsatz ist; ein Einstellpunkt der relativen Feuchte über 100 % bereitgestellt wird, wenn die berechnete maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte größer als der vorbestimmte Prozentsatz ist; ein Einstellpunkt der relativen Feuchte unter 100 % bereitgestellt wird, wenn die berechnete maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte kleiner als der vorbestimmte Prozentsatz ist; und Brennstoffzellensystemkomponenten auf Grundlage des Einstellpunktes der relativen Feuchte gesteuert werden, um zu versuchen, die relative Feuchte des Kathodenabgases auf dem Einstellpunkt beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine vorbestimmte Zeitdauer abgewartet wird, nachdem der Einstellpunkt der relativen Feuchte bestimmt worden ist, um erneut die Sensorsignale bereitzustellen und die maximale aufrechterhaltbare relative Feuchte zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer umfasst, dass eine Zeitdauer abgewartet wird, die auf dem vorbestimmten Prozentsatz, auf Fahrzeugfahrtmustern, Fahrzeugcharakteristiken und Umgebungstemperatur basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern der Brennstoffzellensystemkomponenten umfasst, dass die Brennstoffzellensystemkomponenten auf Grundlage des Einstellpunktes der relativen Feuchte in Kombination mit einer Stapelleistungsanforderung und den Sensorsignalen gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Prozentsatz etwa 105 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einstellpunkt der relativen Feuchte über 100 % etwa 120 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einstellpunkt der relativen Feuchte unter 100 % etwa 80 % beträgt.
Verfahren zum Steuern einer relativen Feuchte eines Kathodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: Sensorsignale bereitgestellt werden, die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems angeben; eine minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte des Kathodenabgases auf Grundlage der Sensorsignale berechnet wird; bestimmt wird, ob die berechnete minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte kleiner als ein vorbestimmter Prozentsatz ist; ein Einstellpunkt der relativen Feuchte über 100 % bereitgestellt wird, wenn die berechnete minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte größer als der vorbestimmte Prozentsatz ist; ein Einstellpunkt der relativen Feuchte unter 100 % bereitgestellt wird, wenn die berechnete minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte kleiner als der vorbestimmte Prozentsatz ist; und Brennstoffzellensystemkomponenten auf Grundlage des Einstellpunktes der relativen Feuchte gesteuert werden, um zu versuchen, die relative Feuchte des Kathodenabgases auf dem Einstellpunkt beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass eine vorbestimmte Zeitdauer abgewartet wird, nachdem der Einstellpunkt der relativen Feuchte bestimmt worden ist, um erneut die Sensorsignale bereitzustellen und die minimale aufrechterhaltbare relative Feuchte zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Abwarten einer vorbestimmten Zeitdauer umfasst, dass eine Zeitdauer abgewartet wird, die auf dem vorbestimmten Prozentsatz, auf Fahrzeugfahrtmustern, Fahrzeugcharakteristiken und Umgebungstemperatur basiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Steuern der Brennstoffzellensystemkomponenten umfasst, dass die Brennstoffzellensystemkomponenten auf Grundlage des Einstellpunktes der relativen Feuchte in Kombination mit einer Stapelleistungsanforderung und den Sensorsignalen gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Prozentsatz etwa 95 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Einstellpunkt der relativen Feuchte über 100 % etwa 120 % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Einstellpunkt der relativen Feuchte unter 100 % etwa 80 beträgt.
Verfahren zum Steuern einer relativen Feuchte eines Kathodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: Sensorsignale bereitgestellt werden, die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems angeben; die relative Feuchte des Kathodenabgases in einer feuchten Betriebsart beibehalten wird, wenn die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in der Lage sind, die relative Feuchte des Kathodengases über einem ersten vorbestimmten Wert zu halten; und die relative Feuchte des Kathodenabgases in einer trockenen Betriebsart beibehalten wird, wenn die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems in der Lage sind, die relative Feuchte des Kathodengases unter einem zweiten vorbestimmten Wert zu halten.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit einem Ändern, um die relative Feuchte des Kathodenaustrags in der trockenen Betriebsart zu halten, wenn die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems nicht in der Lage sind, die relative Feuchte des Kathodengases über dem ersten vorbestimmten Wert zu halten.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit einem Ändern, um die relative Feuchte des Kathodenaustrags in der feuchten Betriebsart zu halten, wenn die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems nicht in der Lage sind, die relative Feuchte des Kathodengases unter dem zweiten vorbestimmten Wert zu halten.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der erste vorbestimmte Wert etwa 105 % ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der zweite vorbestimmte Wert etwa 95 % ist.