DE102007024838A1

DE102007024838A1 - Steuerung mehrerer Druckregimes, um RF-Abweichungen bei Übergängen zu minimieren

Info

Publication number: DE102007024838A1
Application number: DE102007024838A
Authority: DE
Inventors: David A. Arthur; Manish Sinha
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: CN100583527C; US7517600B2; CN101083332A; US20070281193A1; JP2007335408A; JP5324756B2; DE102007024838B4

Abstract

Es ist ein Steuersystem für einen Brennstoffzellenstapel offenbart, das die relative Feuchte des Kathodenauslassgases bei Stapelleistungsübergängen steuert, um eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases durch Reduzierung des dynamischen Druckbereiches und somit des dynamischen Bereiches der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases vorzusehen. Bei einer Ausführungsform verwendet das Steuersystem einen ersten engeren Kathodendruckbereich auf Grundlage einer Stapelstromdichte bei Stapelleistungsübergängen, um eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases vorzusehen, und verwendet einen zweiten breiteren Kathodendruckbereich auf Grundlage der Stapelstromdichte bei niedriger Stromdichte und stabiler Stromdichte, um den Systemwirkungsgrad durch Verringerung parasitärer Kompressorverluste zu verbessern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Steuerung der relative Feuchte des Kathodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel, das eine Änderung des Betriebsbereichs des Kathodendrucks auf Grundlage der Stapelstromdichte bei Stapelleistungsübergängen aufweist.
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 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 populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfon säuremembran. 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 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, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, 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 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, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktan dengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Zu hohe Stapeltemperaturen können die Membrane und anderen 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 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 auf einer optimalen Temperatur, beispielsweise 80°C gehalten wird. Typischerweise ist ein Kühler in einer Kühlmittelschleife außerhalb des Stapels vorgesehen, der das von dem Stapel erhitzte Kühlfluid kühlt, wobei das gekühlte Kühlfluid durch den Stapel zurück geführt wird.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, arbeiten Brennstoffzellenmembrane bei einer bestimmten relativen Feuchte (RF), so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. 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, gesteuert werden. Aus Stapelhaltbarkeitsgründen ist es erwünscht, die Anzahl von Wechseln bzw. Zyklen der relativen Feuchte der Membran zu minimieren, da sich gezeigt hat, dass ein Wechsel zwischen RF-Extremen die Membranlebensdauer ernsthaft begrenzt. Ein Wechsel der RF der Membran bewirkt, dass sich die Membran als Ergebnis der Absorption von Wasser und eines anschließenden Trocknens ausdehnt und zusammenzieht. Dieses Ausdehnen und Zusammenziehen der Membran bewirkt Stiftlöcher in der Membran, was einen Wasserstoff- und Sauerstoffübertritt durch die Membran erzeugt, der heiße Stellen erzeugt, die die Größe des Loches in der Membran weiter erhöhen, wodurch deren Lebensdauer reduziert wird. Ferner wären die Brennstoffzellen weniger anfällig gegenüber Fluten, wenn die RF des Kathodenauslasses kleiner als 100 % ist. Auch kann durch Reduzierung von flüssigem Wasser in dem Stapel der Stapel leichter bei Abschaltung gespült werden, um die Gefahr eines Gefrierens zu reduzieren.
Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm², kann sich Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bilden sich Tröpfchen in den Strömungskanälen. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal abgeschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern parallel angeordnet sind. Wenn die Tröpfchengröße zunimmt, kann die Oberflächenspannung des Tröpfchens stärker als der Deltadruck werden, der versucht, die Tröpfchen in den Austragsverteiler zu drücken, so dass das Reaktandengas nicht durch einen Kanal, der mit Wasser blockiert ist, strömen kann und das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben kann. Diejenigen Bereiche der Membran, die aufgrund dessen kein Reaktanden gas aufnehmen, da der Kanal blockiert ist, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn immer mehr Strömungskanäle mit Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotential von kleiner als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe gekoppelt sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen zu arbeiten aufhört, der gesamte Brennstoffzellenstapel zu arbeiten aufhören.
Wie oben erwähnt ist, wird Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt. Daher weist das Kathodenabgas von dem Stapel Wasserdampf und flüssiges Wasser auf. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen und das Wasser dazu zu verwenden, die Kathodeneingangsluftströmung zu befeuchten.
Die relative Feuchte (RF) des Kathodenauslassgases ist eine Funktion der Kathodenstöchiometrie, des Drucks des Kathodenauslassgases und der Temperatur des den Stapel verlassenden Kühlfluides. Von einer RF-Steuerperspektive her ist es erwünscht, die Kathodenstöchiometrie, den Kathodenauslassgasdruck und die Kathodenauslassgastemperatur im Wesentlichen konstant beizubehalten, um die gewünschte relative Feuchte aufrechtzuerhalten. Jedoch existieren bestimmte Beschränkungen und Gegebenheiten, die das Brennstoffzellensystem erfüllen muss, um eine effiziente und effektive Leistungsfähigkeit vorzusehen.
Ein Controller eines Brennstoffzellensystems verwendet typischerweise eine Kathodenauslassgasdrucktabelle, die einen bestimmten Kathodenauslassdruck abhängig von der durch den Stapel erzeugten Stromdichte bestimmt. Da die Stapelspannung mit dem Druck zunimmt, wird allgemein ein höherer Kathodendruck vorgesehen, wenn die Stapelstromdichte zunimmt. Ferner würden hohe Kathodendrücke im Leerlauf signifikante parasitäre Kompressorverluste bewirken. Für eine niedrige Stapelstromdichte kann das untere Ende des Kathodendruckbereiches etwa 102 kPa betragen und für eine hohe Stapelstromdichte kann der Kathodendruck etwa 143 kPa betragen. Die Kathodenstöchiometrie bei niedriger Stromdichte kann etwa 5 betragen, um Wasser aus den Kathodenströmungskanälen zu treiben und eine Spannungsstabilität vorzusehen. Die Kathodenstöchiometrie bei hoher Stromdichte kann etwa 1,8 aufgrund der Beschränkungen hinsichtlich der Kompressordrehzahl betragen.
Erfindungsgemäß ist ein Steuersystem für einen Brennstoffzellenstapel offenbart, das die relative Feuchte des Kathodenauslassgases bei Stapelleistungsübergängen steuert, um eine Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases durch Reduzierung des dynamischen Druckbereiches und somit des dynamischen Bereiches der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases vorzusehen. Bei einer Ausführungsform verwendet das Steuersystem einen ersten engeren Kathodendruckbereich auf Grundlage einer Stapelstromdichte bei Stapelleistungsübergängen oder dynamischen Zyklen, um eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases vorzusehen, und verwendet einen zweiten breiteren Kathodendruckbereich auf Grundlage der Stapelstromdichte bei niedriger Stromdichte und stabiler Stromdichte, um einen Systemwirkungsgrad durch Verringerung parasitärer Kompressorverluste zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems mit einem Controller zur Steuerung der relativen Feuchte von Kathodenauslassgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Diagramm mit der Stromdichte an der horizontalen Achse und dem Kathodendruck an der vertikalen Ach se ist, das zwei Druckbereiche zeigt, die von dem Sta pel abhängig davon verwendet werden, ob sich der Stapel im Leerlauf oder stabilen Zustand befindet oder ob sich der Stapel in einem Leistungsübergang befin det;
3 ein Diagramm mit der Stromdichte an der horizontalen Achse und dem Kathodendruck an der vertikalen Achse ist, das einen Prozess zum Schalten zwischen den beiden Druckbereichen für einen Stapelbetriebszustand zeigt; und
4 ein Diagramm mit der Stromdichte an der horizontalen Achse und dem Kathodendruck an der vertikalen Achse ist, das einen Prozess zum Schalten zwischen den beiden Druckbereichen für einen anderen Stapelbetriebszustand zeigt.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Steuersystem für einen Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, das die relative Feuchte des Kathodenauslassgases durch Ändern des Kathodendruckbetriebsbereichs bei Leistungsübergängen steuert, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Stapel 12 weist eine Kathodeneingangsleitung 14 und eine Kathodenausgangsleitung 16 auf. Ein Kompressor 18 erzeugt eine Luftströmung für die Kathodenseite des Stapels 12, die zur Befeuchtung durch eine WVT-Vorrichtung 20 geliefert wird. Ein Massenstrommesser 22 misst den Durchmesser der Luft von dem Kompressor. Die befeuchtete Luft wird in den Stapel 12 auf der Leitung 14 eingeführt, und befeuchtetes Kathodenabgas wird an der Ausgangsleitung 16 vorgesehen. Das Kathodenabgas auf der Leitung 16 wird durch die WVT-Vorrichtung 20 geliefert, um den Wasserdampf zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluft vorzusehen. Die WVT-Vorrichtung 20 kann eine beliebige, für die hier beschriebenen Zwecke geeignete WVT-Vorrichtung sein.
Das System 10 weist eine Pumpe 24 auf, die ein Kühlfluid durch einen Kühlmittelkreislauf 28 pumpt, das durch einen Stapel 12 strömt. Das erhitzte Kühlfluid von dem Stapel 12 wird durch einen Kühler 30 geliefert, in dem es gekühlt wird, um durch den Kühlmittelkreislauf 28 an den Stapel 12 rückgeführt zu werden. Das System 10 weist auch ein Rückschlagventil 42 auf, das in der Kathodenabgasleitung 14 nach der WVT-Vorrichtung 20 zur Steuerung des Druckes der Kathodenseite des Stapels 12 positioniert ist.
Das System 10 weist mehrere Sensoren zur Erfassung bestimmter Betriebsparameter auf. Insbesondere weist das System 10 einen RF-Sensor 36 zur Messung der relativen Feuchte der Kathodeneinlassluft in der Leitung 14 und einen Temperatursensor 34 zum Messen der Temperatur der Kathodeneinlassluft in der Leitung 14 auf. In der Technik ist es bekannt, anstatt der Kombination des RF-Sensors 36 und des Temperatursensors 34 einen Taupunktsensor zu verwenden. Ein Temperatursensor 38 misst die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreislauf 28, das in den Stapel 12 eintritt, und ein Temperatursensor 26 misst die Temperatur des Kühlfluides, das den Stapel 12 verlässt. Ein Drucksensor 32 misst den Druck des Kathodenabgases in der Leitung 16. Wie es in der Technik bekannt ist, muss die gemessene relative Feuchte der Kathodeneinlassluft korrigiert werden, da die Temperatur des Stapels 12 von der Temperatur der Luft in der Einlassleitung 14 verschieden ist. Durch Kenntnis der Einlass-RF und der Temperatur des in den Stapel 12 eintretenden Kühlfluides kann die korrigierte relative Feuchte der Kathodenluft berechnet werden.
Ein Controller 40 empfängt das Massenstromsignal von dem Massenstrommesser 22, das Signal der relativen Feuchte von dem RF-Sensor 36, das Temperatursignal von dem Temperatursensor 34, das Temperatursignal von dem Temperatursensor 38, das Temperatursignal von dem Temperatursensor 26 und das Drucksignal von dem Drucksensor 32. Der Controller 40 steuert auch das Rückschlagventil 42.
In der Technik sind zur Berechnung der relativen Feuchte des Kathodenauslasses, der Kathodenstöchiometrie und der RF des Kathodeneinlasses Gleichungen bekannt, wobei die relative Feuchte des Kathodenausgangs berechnet werden kann durch:
Die Kathodenstöchiometrie kann berechnet werden durch:
Der Prozentsatz der relativen Feuchte des Kathodeneinlasses kann berechnet werden durch:
wobei CS die Kathodenstöchiometrie ist, T₁ die Stapelkühlfluidauslasstemperatur in Grad Celsius ist, P₁ der Kathodenauslassdruck in kPa ist, T₂ die Kathodeneinlasstemperatur in Grad Celsius ist, P₂ der Kathodendruckabfall in kPa ist, der auf Grundlage eines bekannten Modells berechnet wird, und T₃ die Stapelkühlfluideinlasstemperatur in Grad Celsius ist.
Gemäß der Erfindung verwendet der Controller 40 einen dynamischen Druckbereich auf Grundlage der Stapelstromdichte, beispielsweise 102 kPa–143 kPa, für den Druck des Kathodenabgases auf der Leitung 18 durch Steuern des Rückschlagventils 42, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 12 bei niedriger oder Leerlaufstromdichte, wie 0,1 A/cm² oder bei einer stabilen Stromdichte für eine bestimmte Zeitdauer befindet. Wenn sich der Stapel 12 in einer Übergangsstromdichte oder in einem dynamischen Zyklus befindet, wird der dynamische Druckbereich des Kathodenabgases in einen anderen Bereich geändert, beispielsweise 120 kPa–143 kPa, so dass die relative Feuchte des Kathodenabgases bei oder nahe einer gewünschten relativen Feuchte zur Befeuchtung der Kathodeneinlassluft auf Leitung 14 beibehalten wird. Durch Hin- und Herschalten zwischen den Kathodendruckeinstellpunktbereichen abhängig von der Stromdichte des Stapels 12, wie oben beschrieben ist, kann eine signifikante Verbesserung der RF-Steuerung des Kathodenauslassgases bei Leistungsübergängen vorgesehen werden und parasitäre Kompressorverluste bei niedriger Leistung können reduziert werden, wenn sich der Stapel 12 bei einer Leerlaufstromdichte oder einer stabilen Stromdichte befindet.
2 ist ein Diagramm mit der Stromdichte an der horizontalen Achse und dem Kathodendruck an der vertikalen Achse, das die beiden dynamischen Kathodendruckbereiche, die oben beschrieben sind, zeigt. Insbesondere ist die Diagrammlinie 50 die bekannte Drucksteuertabelle für den Systemwirkungsgrad, die einen Kathodendruckbereich zwischen 102 kPa bei sehr niedriger Stromdichte und 143 kPa bei der maximalen Stapelstromdichte von 1,2 A/cm² vorsieht. Gemäß der Erfindung ist ein zweiter (oberer) Kathodendruckbereich vorgesehen, der durch die Diagrammlinie 52 dargestellt ist und einen Bereich zwischen 120 kPa bei sehr niedriger Stromdichte und 143 kPa bei der maximalen Stromdichte aufweist. Wie es offensichtlich ist, ist der Druckbereich für die obere Drucktabelle im Wesentlichen linear. Durch Änderung der Drucktabelle für den Kathodenauslassgasdruck zu der Drucklinie 52 bei Leistungsübergängen oder bei dynamischen Zyklen nimmt die relative Feuchte des Kathodenabgases zu, wodurch ermöglicht wird, dass sich die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft auf dem gewünschten Wert befindet.
Der Steueralgorithmus verbleibt bei der höheren Drucktabelle für eine bestimmte Zeitdauer, nachdem der Leistungsübergang vorbei ist, wie beispielsweise 60 Sekunden, wenn das Fahrzeug in einen stabilen Betrieb oder in einen Leerlaufzustand zurückgelangen kann. Die niedrigere Drucktabelle für den stabilen Betrieb sieht einen niedrigeren Stapeldruck für dieselbe Stromdichte als die obere Drucktabelle vor und weist somit eine Reduzierung der parasitären Kompressorverluste auf, die den Systemwirkungsgrad reduzieren. Daher ist erwünscht, manchmal, nachdem der dynamische Zyklus gestoppt hat, zu der niedrigeren Drucktabelle zurückzukehren.
Die 3 und 4 sind Diagramme mit der Stromdichte an der horizontalen Achse und dem Kathodendruck an der vertikalen Achse, die zwei Prozesse gemäß der Erfindung zum Schalten zwischen den dynamischen Kathodendruckbereichen, die durch die Diagrammlinien 50 und 52 gezeigt sind, für zwei verschiedene Stapelbetriebsbedingungen zeigen. 3 zeigt ein Szenario, bei dem sich das Fahrzeug für eine relativ lange Zeitdauer im Leerlauf befindet, dann bis zu 1,0 A/cm² beschleunigt und dann in einen Leerlaufzustand zurückfällt. Aus dem Leerlaufzustand nimmt die Stapelstromdichte bis etwa 0,1 A/cm² entlang der Linie 60 an dem dynamischen Druckbereich der Diagrammlinie 50 zu. Wenn die Stromdichte über 0,1 A/cm² geht, schaltet die Drucksteuerung auf Linie 62 zu dem dynamischen Druckbereich der Diagrammlinie 52. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit zunimmt und die Stapelstromdichte entlang der Linie 64 auf 1,0 A/cm² zunimmt, bleibt der dynamische Druckbereich auf der Diagrammlinie 52. Der Stapel kehrt dann auf Linie 66 zu einer Leerlaufstromdichte von kleiner als 0,1 A/cm² zurück. Wenn die Stapelstromdichte für eine gewisse vorbestimmte Zeitdauer unter 0,1 A/cm² gehalten würde, dann würde der Controller zu der Drucktabelle der Diagrammlinie 50 auf Linie 68 zurückkehren. Alternativ dazu bleibt, wenn eine zweite Beschleunigung von der niedrigen Stapelstromdichte erfolgt, bevor die Zeitdauer abgelaufen ist, die Steuerung auf der Drucklinie 52.
4 zeigt einen Stapelbetriebszustand, bei dem das Fahrzeug für eine lange Zeit im Leerlauf bleibt, dann bis zu etwa 1,0 A/cm² beschleunigt und dann auf eine stabile Stromdichte bei etwa 0,6 A/cm² zurück geht. Wenn das Fahrzeug aus einem Leerlaufzustand heraus zu beschleunigen beginnt, folgt die Drucksteuerung der Linie 70 an der Diagrammlinie 50 und springt dann zu der Drucktabelle der Diagrammlinie 52 auf Linie 72, wenn die Stromdichte über 0,1 A/cm² geht. Wenn das Fahrzeug aus dem Leerlauf beschleunigt, bleibt die Drucksteuerung auf der Diagrammlinie 52, wie durch die Linie 74 dargestellt ist. Wenn die Stapelstromdichte von 1,0 A/cm² auf etwa 0,6 A/cm² auf Linie 76 reduziert wird und dort für eine bestimmte Zeitdauer verbleibt, beispielsweise 10 Sekunden, dann würde die Drucksteuerung zurück zu der Drucktabelle der Diagrammlinie 50 auf Linie 78 schalten.
Durch Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases auf diese Weise sind die Brennstoffzellen weniger anfällig gegenüber einem Fluten. Wenn die relative Feuchte des Kathodenauslasses kleiner als 100 % ist, ist das flüssige Wasser in dem Stapel 12 reduziert, um so zu ermöglichen, dass der Stapel 12 beim Abschalten leichter gespült werden kann, was Gefrierprobleme reduziert. Zusätzlich resultiert eine gute Steuerung der relativen Feuchte in weniger Wechseln der RF der MEA über und unter eine relative Feuchte von 100 %. Diese Feucht/Trockenübergänge der MEA bewirken sowohl eine höhere Spannungsdegradation als auch Stiftlochbildung in der Membran.
Zusammengefasst ist ein Steuersystem für einen Brennstoffzellenstapel offenbart, das die relative Feuchte des Kathodenauslassgases bei Stapelleistungsübergängen steuert, um eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases durch Reduzierung des dynamischen Druckbereiches und somit des dynamischen Bereiches der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases vorzusehen. Bei einer Ausführungsform verwendet das Steuersystem einen ersten engeren Kathodendruckbereich auf Grundlage einer Stapelstromdichte bei Stapelleistungsübergängen, um eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenauslassgases vorzusehen, und verwendet einen zweiten breiteren Kathodendruckbereich auf Grundlage der Stapelstromdichte bei niedriger Stromdichte und stabiler Stromdichte, um den Systemwirkungsgrad durch Verringerung parasitärer Kompressorverluste zu verbessern.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der eine Kathodeneinlassluftströmung aufnimmt und eine Kathodenabgasströmung ausgibt; einem Kompressor zur Lieferung der Kathodeneinlassluftströmung an den Stapel; einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung, die die Kathodeneinlassluftströmung von dem Kompressor und die Kathodenabgasströmung von dem Brennstoffzellenstapel aufnimmt, wobei die Wasserdampfübertragungsvorrichtung Wasserdampf in dem Kathodenabgas verwendet, um die Kathodeneinlassluft zu befeuchten; und einem Controller zur Steuerung der relativen Feuchte der Kathodenabgasströmung, um so die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft zu steuern, wobei der Controller in einem ersten Kathodendruckbereich auf Grundlage der von dem Stapel erzeugten Stromdichte arbeitet, wenn die Stapelstromdichte unter einem vorbestimmten Wert liegt, und in einem zweiten Kathodendruckbereich auf Grundlage der von dem Stapel erzeugten Stromdichte arbeitet, wenn die Stapelstromdichte über dem vorbestimmten Wert liegt, wobei der zweite Druckbereich enger als der erste Druckbereich ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller in dem ersten Druckbereich arbeitet, wenn die Stapelstromdichte unter dem vorbestimmten Wert liegt oder sich in einem stabilen Betrieb befindet, und in dem zweiten Druckbereich arbeitet, wenn die Stapelstrom dichte über dem vorbestimmten Wert liegt und sich in einem Leistungsübergang befindet.
System nach Anspruch 2, wobei der Leistungsübergang ein Aufwärtsleistungsübergang ist.
System nach Anspruch 3, wobei der Controller den Kathodendruck in dem ersten Druckbereich für eine bestimmte Zeitdauer nach dem Aufwärtsleistungsübergang beibehält, wenn die Stromdichte unter dem vorbestimmten Wert liegt oder sich in einem stabilen Zustand befindet.
System nach Anspruch 4, wobei die Zeitdauer etwa 60 Sekunden beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Druckbereich über den gesamten Stapelstromdichtebereich einen höheren Druck als der zweite Druckbereich vorsieht.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Rückschlagventil, das in einer Kathodenaustragsleitung positioniert ist, wobei der Controller das Rückschlagventil öffnet und schließt, um den Kathodendruck zu ändern.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Druckbereich einen größeren Systemwirkungsgrad vorsieht und der zweite Druckbereich eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenabgases vorsieht.
System nach Anspruch 1, wobei der erste Druckbereich etwa 102 kPa–143 kPa beträgt und der zweite Druckbereich etwa 120 kPa–143 kPa beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Wert etwa 0,1 A/cm² beträgt.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der eine Kathodeneinlassluftströmung aufnimmt und eine Kathodenabgasströmung ausgibt, und einem Controller zur Steuerung der relativen Feuchte der Kathodenabgasströmung, um die relative Feuchte der Kathodeneinlassluftströmung zu steuern, wobei der Controller in einem ersten Kathodendruckbereich arbeitet, wenn die Stapelstromdichte unter einer vorbestimmten Stromdichte liegt oder sich in einem stabilen Betrieb befindet, und in einem zweiten Kathodendruckbereich arbeitet, wenn die Stapelstromdichte über dem vorbestimmten Wert liegt und sich in einem dynamischen Zyklus befindet.
System nach Anspruch 11, wobei der erste Druckbereich etwa 102 kPa–143 kPa beträgt und der zweite Druckbereich etwa 120 kPa–143 kPa beträgt.
System nach Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Wert etwa 0,1 A/cm² beträgt.
System nach Anspruch 11, wobei der Controller den Kathodendruck in dem ersten Druckbereich für eine bestimmte Zeitdauer nach dem dynamischen Zyklus beibehält, wenn die Stromdichte unter dem vorbestimmten Wert oder im stabilen Zustand liegt.
System nach Anspruch 14, wobei die Zeitdauer etwa 60 Sekunden beträgt.
System nach Anspruch 11, wobei der erste Druckbereich über den gesamten Stapelstromdichtebereich einen höheren Druck als der zweite Druckbereich vorsieht.
System nach Anspruch 11, wobei der zweite Druckbereich enger als der erste Druckbereich ist.
System nach Anspruch 11, wobei der erste Druckbereich einen größeren Systemwirkungsgrad vorsieht und der zweite Druckbereich eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenabgases vorsieht.
Verfahren zum Steuern des Kathodendrucks eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein erster Kathodendruckbereich verwendet wird, wenn die Stapelstromdichte unter einer vorbestimmten Stromdichte liegt oder sich bei einer stabilen Stromdichte befindet; und ein zweiter Kathodendruckbereich verwendet wird, wenn die Stapelstromdichte über dem vorbestimmten Wert liegt und sich in einem dynamischen Zyklus befindet.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der zweite Druckbereich enger als der erste Druckbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der erste Druckbereich etwa 102 kPa–143 kPa beträgt und der zweite Druckbereich etwa 120 kPa–143 kPa beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der vorbestimmte Wert etwa 0,1 A/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend, dass der Kathodendruck in dem ersten Druckbereich für eine bestimmte Zeitdauer nach dem dynamischen Zyklus beibehalten wird, wenn die Stromdichte unter dem vorbestimmten Wert oder im stabilen Zustand liegt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der erste Druckbereich über den gesamten Stapelstromdichtebereich einen höheren Druck als der zweite Druckbereich vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der erste Druckbereich einen größeren Systemwirkungsgrad vorsieht und der zweite Druckbereich eine bessere Steuerung der relativen Feuchte des Kathodenabgases vorsieht.