DE102008010312B4

DE102008010312B4 - Brennstoffzellensystem, dessen Verwendung und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102008010312B4
Application number: DE102008010312A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Lienkamp; Matthew C. Kirklin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: US20080206608A1; US8173311B2; DE102008010312A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) umfassend: mindestens eine Brennstoffzelle (300) mit einer Anode (310), einer Kathode (330) und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyten (320); einen Anodenströmpfad (316), der zum Befördern eines ersten Recktanten zu der Anode (310) ausgebildet ist; einen Kathodenströmpfad (336), der zum Befördern eines zweiten Recktanten zu der Kathode (330) ausgebildet ist; einen Kühlkreislauf (340) in thermischer Verbindung mit dem Anodenströmpfad (316) und/oder dem Kathodenströmpfad (336); mindestens eine mit dem Kathodenströmpfad (336) fluidisch verbundene Pumpe (335); mindestens ein in dem Kathodenströmpfad (336) fluidisch angeordnetes Gegendruckventil (337); mehrere Sensoren, die mit dem Kathodenströmpfad (336) gekoppelt sind, so dass bei einem Strömen des zweiten Recktanten angrenzend an den mehreren Sensoren die mehreren Sensoren ein Signal erzeugen, das dem zweiten Recktanten entspricht, wobei die mehreren Sensoren mindestens einen Durchflussmesser, mindestens einen Temperatursensor und mindestens einen Drucksensor umfassen; und ein Steuergerät (1000), das...

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Steuern der relativen Feuchte eines Reaktantenstroms in einem Brennstoffzellensystem und insbesondere das Beeinflussen des Betriebs von Kathodenkomponenten in solcher Weise, dass die Leistungseinbußen auf Systemebene, die mit einer solchen Beeinflussung des Luftstroms einhergehen, verringert werden.
Bei einem typischen Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömpfad zur Anodenseite einer Brennstoffzelle geliefert, während Sauerstoff (beispielsweise in Form von Atmosphärensauerstoff) durch einen separaten Strömpfad zur Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. Katalysatoren, typischerweise in Form eines Edelmetalls wie Platin werden an der Anode und Kathode angeordnet, um die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff bzw. Sauerstoff zu erleichtern. Bei einer Form von Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane) bezeichnet wird, ist ein Elektrolyt in Form einer protonen-durchlässigen Membran zwischen der Anode und Kathode sandwichartig eingeschlossen, um einen Schichtaufbau zu erzeugen, der häufig als Membranenelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) bezeichnet wird. Jede MEA bildet eine einzelne Brennstoffzelle, und viele solcher einzelner Zellen können kombiniert werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, was die Ausgangsleistung derselben verbessert. Mehrere Stapel können miteinander verbunden werden, um die Ausgangsleistung weiter zu verbessern. Die PEM-Brennstoffzelle hat sich bei Fahrzeuganwendungen und ähnlichen mobilen Anwendungen als besonders vielversprechend erwiesen, wobei Wasserstoff und Sauerstoff als die primären Reaktanten zum Erzeugen von Elektrizität mit Wasserdampf als umweltfreundlichem Reaktionsnebenprodukt verwendet werden.
In der PEM-Brennstoffzelle sind ausgewogene Feuchtigkeits- oder Feuchtewerte erforderlich, um einen ordnungsgemäßen Betrieb und Haltbarkeit sicherzustellen. Zum Beispiel ist es wichtig, das Vorhandensein von zu viel Wasser in der Brennstoffzelle, was zu der Blockierung der porösen Anode und Kathode führen kann, wodurch das Strömen von Reaktanten verhindert wird, zu vermeiden. Zu wenig Hydratation beschränkt dagegen die elektrische Leitfähigkeit der Membran und kann in extremen Fällen zu einem vorzeitigen Verschleiß der Membran führen. In Situationen, bei denen eine Gefahr von Elektrodenfluten besteht, können Vorrichtungen zum Ablaufenlassen von Wasser mittels Dochtwirkung (so genanntes Water Wicking) und ähnliche Vorrichtungen verwendet werden. Von den Situationen, bei denen zu viel oder zu wenig Hydratation in der Brennstoffzelle vorliegt, ist es dennoch die letztere, die häufiger angegangen wird. Ein mögliches Verfahren zum Sicherstellen angemessener Werte von Hydration in der gesamten Brennstoffzelle umfasst das Befeuchten eines oder beider Reaktanten vor deren Eindringen in die Brennstoffzelle durch eine oder mehrere externe Befeuchtungsvorrichtungen, einschließlich kondensierender Wärmetauscher, Wassereinspritzung und separater Wasserbehälter. Ein noch anderes mögliches Verfahren zum Sicherstellen angemessener Hydratationswerte umfasst das Befeuchten eines oder beider Recktanten mit einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung. Bei einer solchen Vorrichtung können faserartige Rohre, wasserdurchlässige Membranen oder ähnliche Vorrichtungen, die eine kapillare oder ähnliche wasserübertragende Wirkung vorsehen können, zum Bewirken der Übertragung von Feuchtigkeit von einem Strom zum anderen verwendet werden, wobei die entzogene Feuchtigkeit in Teile der Brennstoffzelle, die zusätzliche Feuchtigkeit benötigen, wieder eingeleitet werden kann (typischerweise in Form von Dampf). Beide sind beim Verbessern der Befeuchtung der Brennstoffzelle effektiv, erfordern aber größere Systemkomplexität und Kosten und erfordern Raum. Bei fahrzeugbasierten Anwendungen, bei denen solche Komponenten mit Fahrgastraum oder anderen Merkmalen konkurrieren, ist dies besonders störend.
Ohne die Verwendung externer Vorrichtungen zum Verbessern der Feuchtigkeit des Luftstroms des Kathodeneingangs kann die relative Feuchte RH am Kathodenausgang der Brennstoffzelle durch Anpassen der Gastemperatur, des durch die katalytische Reaktion von Luft/Protonen an der Kathode hervorgerufenen Wasseranteils und des lokalen absoluten Drucks verändert werden. Im Allgemeinen kann die Beziehung zwischen der relativen Feuchte am Kathodenausgang des Stapels und diesen Parametern durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
und P_saturated = f(T_csathodeout) (2) wobei P_cathodeout der Umgebungsdruck am Kathodenausgang ist, wf_cathodeout der Wasseranteil ist und P_saturated der gesättigte Dampfdruck des Wassers ist, das in dem vorliegenden Kontext ein Maß der Fähigkeit der Luft ist, die Brennstoffzelle auszutrocknen, wobei die Austrocknungstendenz um so größer ist, je höher der Wert ist. Diese letzte Größe hängt stark von der Temperatur in dem Ausgang der Kathode T_cathodeout ab. Bei Verwendung von zum Beispiel Wasser beträgt der Sättigungsdruck bei einer Temperatur von –20°C in etwa 0,1 kPa, bei 0°C beträgt er etwa 0,6 kPa, bei 20°C beträgt er etwa 2,3 kPa, bei 50°C beträgt er etwa 12,3 kPa und bei 90°C beträgt er etwa 70,1 kPa. Aus diesem Trend ist ersichtlich, dass die Beziehung zwischen Temperatur und Sättigungsdruck stark nichtlinear ist. Da viele Brennstoffzellen (einschließlich PEM-Brennstoffzellen) bei hohen Temperaturen arbeiten, trifft der relativ mäßige Austrocknungseffekt von Luft (d. h. die Verdampfungsrate des Wassers) bei niedrigeren Temperaturen im Allgemeinen nicht zu, wird aber bei höheren Temperaturen signifikant oder gar ausgeprägt.
Bezüglich der Temperatur ist die als Linie (1) in 1A gezeigte Mindesttemperatur des Stapels eine Funktion des Wärmeverlusts des Stapels, die wiederum eine Funktion der Last, der Leistung des Kühlsystems, der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Umgebungstemperatur ist. Wie durch Linie (2) von 1A gezeigt wird, kann die Temperatur durch Umgehen eines Kühlers und Anhalten eines Gebläses (die sich beide typischerweise in einer in eine Fahrzeugausführungsform integrierte Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems finden) angehoben werden, bis die maximal zulässige Stapeltemperatur erreicht ist oder das Gleichgewicht von Wärmeverlust des Stapels und Wärmeabstrahlung/-konvektion des Systems erreicht ist. Der Gasdruck des Kathodenausgangs (nachstehend erläutert) wird aufgrund der starken thermischen Kopplung gleich der Kühlmitteltemperatur. Auf diese Weise wird die RH des Ausgangs durch Verändern der Kühlmittelausgangstemperatur direkt beeinflusst.
Bezüglich des Wasseranteils ist die Beziehung zwischen Luftstrom und Produktwasser wie in 1B gezeigt über den Betriebsbereich nicht konstant. Der Wasseranteil, dessen Erzeugung proportional zur Menge des in der katalytischen Reaktion verbrauchten Sauerstoffs ist, hängt von der Stöchiometrie ab, die das Verhältnis zwischen dem Kathodeneingang gelieferten Sauerstoff und verbrauchtem Sauerstoff ist. Eine höhere Stöchiometrie erzeugt daher einen niedrigeren Wasseranteil und letztendlich eine niedrigere relative Feuchte. Wie in der Figur ersichtlich ist, muss die Stöchiometrie nicht bei niedrigen Werten elektrischen Stroms (d. h. Stromdichte) angehoben werden, um Stapelstabilität zu wahren. Dies kann einen Zwangsbetrieb von Luftstromzufuhrvorrichtungen, beispielsweise eines Verdichters oder einer zugehörigen Pumpe, erfordern.
Ferner kann die Stöchiometrie angehoben werden, um eine niedrigere relative Feuchte zu erreichen. Es gibt Grenzen, wie stark die Stöchiometrie angehoben werden kann, beispielsweise sollten die Verdichterleistungsfähigkeit und damit verbundene Geräuschgrenzwerte (die durch höhere Betriebsdrehzahlen und vermehrten Luftstrom des Verdichters nachteilig beeinflusst werden könnten) nicht überschritten werden, da allgemein gesehen die signifikanteste Beschränkung der Stöchiometrie die Leistungsfähigkeit der Geräte ist, die zum Leiten der Luft durch den Kathodenströmpfad verwendet werden. Zudem verbraucht ein längeres Laufen des Verdichters viel Strom, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems beträchtlich verringert. Dies ist nachteilig, da die zum Laufen des Verdichters erforderliche Elektrizität den zum Antreiben einer Last, beispielsweise eines Fahrzeugantriebsstrangs, zur Verfügung stehenden Betrag senkt. Somit könnte aus praktischer Sicht die Stöchiometrie unter einem bestimmten Grenzwert gehalten werden, um ein Arbeiten des Verdichters bei hohen (und gleichzeitig lauten) Bedingungen zu verhindern.
Wie in 1C gezeigt gibt es bezüglich Druck einen Mindestdruck p_cathode,out des Kathodenausgangs des Stapels, der selbst in Situationen vorliegt, bei denen Durchströmbehinderungen des Kathodenströmpfads minimiert sind, beispielsweise wenn ein Gegendruckventil vollständig geöffnet ist. Der Ausgangsdruck steigt mit zunehmendem Luftstrom. Der Kathodenausgangsdruck p_cathode,out kann durch Schließen einer nachgeschalteten Strömungsbeeinflussungsvorrichtung (beispielsweise des vorstehend erwähnten Gegendruckventils) angehoben werden, um die relative Feuchte RH anzuheben. Dies ist wiederum nachteilig, da zum Betreiben des Verdichters erforderliche Elektrizität den Betrag der zur Verfügung stehenden Energie senkt, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems mindert. Beschränkungen der Leistung des Verdichters können auch bedeuten, dass es einen oberen Grenzwert für den Betrag des erzeugten Gegendrucks gibt.
Eine Lösung für ordnungsgemäße Betriebsbedingungen ist das Ableiten des Druck-Sollwerts aus Ist-Temperaturen und des Temperatur-Sollwerts aus Ist-Druck. Während dies den Vorteil hat, eine dynamische Echtzeit-Steuerung zu ermöglichen, kann die Wechselbeziehung der Parameter ein Phänomen erzeugen, das als Windup (Verstärkung) bekannt ist, bei dem geänderte Druck- und Temperatur-Sollwerte bei Betrieb bei Bedingungen effektiv einfrieren, die für eine Betriebsbedingung geeignet sein können, aber nicht bei anderen Bedingungen. Ein Beispiel für das Windup-Phänomen ist wie folgt: eine Bedingung hoher Last erzwingt eine hohe Systemtemperatur unter der Annahme, dass das Kühlsystem an seinem Grenzwert arbeitet, was wiederum ein Ansteigen des Druck-Sollwerts hervorruft, um ein Abfallen der RH des Kathodenausgangs des Stapels zu vermeiden. Wenn nun die Last abnimmt, wäre das Kühlsystem in der Lage, wieder eine niedrigere Temperatur zu halten; die Temperatur sinkt aber nur sehr langsam, wodurch der Druck-Sollwert hoch gehalten wird.
Der sich ergebende hohe Ist-Druck würde dann einen hohen Temperatur-Sollwert erzwingen, der wiederum trotz der Tatsache, dass das Kühlsystem eine niedrigere Temperatur halten könnte, die Temperatur hoch hält. Dies ist nachteilig, da es das System bei einer Bedingung hohen Drucks und hoher Temperatur hält, auch wenn Bedingungen niedriger Temperatur und niedrigen Drucks (mit damit einhergehenden Reduzierungen der Leistungsanforderungen des Verdichters) andernfalls möglich und für das System sehr vorteilhaft wären.
Wie vorstehend gezeigt sollten die Druck- und Temperatur-Sollwerte entkoppelt werden. Wenn somit der Temperatur-Sollwert nicht auf Ist-Drücken beruht (d. h. der Temperatur-Sollwert ist nicht eine Funktion des Ist-Drucks) könnte ein Windup der Sollwerte vermieden werden.
Erwünscht ist eine Möglichkeit zum Beeinflussen der relativen Feuchte in einer Brennstoffzelle, während gleichzeitig die Leistungsauswirkungen auf das gesamte System minimiert werden. Ferner ist eine Möglichkeit erwünscht, geeignete Betriebssollwerte für Druck, Temperatur und Stöchiometrie innerhalb von Grenzwerten zu wählen, die solchen minimierten Leistungsauswirkungen entsprechen. Ferner ist es erwünscht, durch ständiges Anpassen von Kathodenstöchiometrie, Kathodenausgangsdruck und Kathodenausgangstemperatur eine RH des Brennstoffzellenstapelausgangs zu wahren, die beste MEA-Leistung und Haltbarkeit während dynamischen Brennstoffzellenbetriebs ermöglicht.
Die US 2003/0072980 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches auf dem Anpassen des Betriebsdrucks an die aktuelle Betriebstemperatur beruht. Das Regulieren des Drucks dient der Vermeidung übermäßig starker Feuchtigkeitsauslenkungen und kann beispielsweise mittels eines Luftkompressors mit variabler Geometrie erfolgen.
In der US 2003/0022034 A1 ist eine Steuervorrichtung für ein Brennstoffzellensystem offenbart. Um eine exzessive Stromerzeugung einerseits sowie einen Spannungsabfall andererseits zu vermeiden, empfängt die Steuervorrichtung Signale von Druck- und Durchflussmessgeräten und steuert darauf beruhend einen Luftkompressor, ein Steuerventil an der Eingangsseite sowie eine Drosselklappe an der Abgasseite des Brennstoffzellenstapels.
Bei dem in der EP 1 526 598 A1 offenbarten Brennstoffzellensystem wird die Feuchte im Reaktionsraum indirekt über die beim Betrieb entstehende Wassermenge und den Gasdurchsatz bestimmt. Um von der absoluten Feuchte auf die relative Feuchte zu schließen, wird weiterhin die Gastemperatur mit einem Sensor erfasst.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine stabilere Feuchtigkeitsregelung von Brennstoffzellen zu ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betreiben des Systems offenbart, das die nachstehend erläuterten Merkmale enthält. Insbesondere kann die Beeinflussung einer oder mehrerer Kathodenbetriebsbedingungen, einschließlich Druck, Temperatur, Stöchiometrie oder dergleichen, zum Beibehalten der erwünschten Feuchteniveaus in der Brennstoffzelle verwendet werden. In einer Grundform kann eine Temperatur gewählt werden, die die erwünschte relative Feuchte (auch als Sollwert der relativen Feuchte bezeichnet) erreicht, während minimale Druck- und Stöchiometriewerte zugelassen werden, um den Wirkungsgrad des Systems zu optimieren. Die vorliegende Erfindung konzentriert sich auf das Berechnen von Sollwerten für die Temperatur und den Druck des Kathodenausgangs des Brennstoffzellenstapels, während der erwünschte RH-Sollwert trotz einiger der vorstehend erwähnten Beschränkungen für erreichbare Drücke und Temperaturen in einem eine solche Brennstoffzelle enthaltenden System beibehalten wird.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem offenbart. Das System umfasst eine oder mehrere Brennstoffzellen, jeweils mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt. Ferner sind Anoden- und Kathodenströmpfade so ausgelegt, dass sie Recktanten (beispielsweise Brennstoff und Sauerstoff) zur jeweiligen Elektrode befördern. Der Kathodenströmpfad, der ein Leitungs- oder ähnliches Fluid beförderndes Mittel bildet, umfasst einen Kathodeneingang und einen Kathodenausgang, wobei der Eingang zum Befördern von Oxidans (beispielsweise Luft) in die Brennstoffzellenkathode zur Reaktion mit einem geeigneten Reduktionsmittel (beispielsweise Wasserstoff), das durch den Elektrolyt und zur Kathode strömt, umfasst. Während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität kann zum Antreiben des Verdichters oder anderer stromverbrauchender Nebenaggregate verwendet werden, wodurch die von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Nettoleistung, die zum Antreiben einer Last (beispielsweise eines Fahrzeugantriebssystems oder dergleichen) zur Verfügung steht, verringert wird. Mindestens eine Pumpe ist mit dem Kathodenströmpfad stromabwärts des Brennstoffzellenstapels fluidisch angeordnet. Zudem sind zahlreiche Sensoren mit dem Kathodenströmpfad verbunden, so dass bei Strömen des Recktanten durch den Kathodenströmpfad und angrenzend an die Sensoren die Sensoren ein Signal erzeugen, das einer Eigenschaft des Recktanten entspricht. Die Sensoren können eines oder mehrere von: einem Durchflussmesser, Temperatursensor und Drucksensor umfassen. Die Signale, die sie erzeugen, werden zu einem Steuergerät geleitet. Diese Erfindung erfordert am Kathodenausgang des Stapels keinen Sensor für die relative Feuchte bzw. keinen Taupunkttemperatursensor. Dies ist vorteilhaft, da solche Sensoren aufgrund zeitweilig auftretenden flüssigen Wassers oder dergleichen für gewöhnlich in der gegebenen beanspruchenden Umgebung nicht zuverlässig und präzise arbeiten können. Das System umfasst auch einen Kühlmittelkreislauf, der mit der Brennstoffzelle thermisch verbunden ist.
Das Steuergerät ist dafür ausgelegt, als Rückkopplungssystem zu arbeiten, wobei es von einem oder mehreren der Sensoren Eingaben erhält und zu einer oder mehreren Komponenten innerhalb des Systems in dem Versuch, eine erwünschte relative Feuchte in dem Stapelausgang des Kathodenströmpfads zu erreichen, Betriebsbefehle liefert. Das Steuergerät kann auf einem Mikroprozessor beruhen, so dass die Eingangssignale von den Sensoren in einem Programm oder zugehörigen Algorithmus verwendet werden können, um Befehle für Aktoren in dem System zu berechnen. Das Steuergerät ist weiterhin dafür ausgelegt, mindestens eine der Pumpen und das Ventil als Reaktion auf Änderungen der relativen Feuchte des Recktanten in dem Kathodenströmpfad zu betreiben, um die relative Feuchte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten. Bei Betrieb korreliert das Steuergerät einen Temperatur-Sollwert, einen Druck-Sollwert und einen Stöchiometriesollwert mit einer Betriebsbedingung des Systems, wodurch die relative Feuchte beibehalten wird, während gleichzeitig der Betrieb der Pumpe oder anderer stromverbrauchender Komponenten minimiert wird. Zu beachten ist, dass der Wert eines solchen Sollwerts allgemein von der Stapeltechnologie abhängt. Er ist mit anderen Worten ein fester Parameter in der Software, der vorher festgelegt wird (beispielsweise wenn der Algorithmus programmiert wird), und wird üblicherweise während eines normalen Systembetriebs nicht geändert. Dennoch kann der Sollwert während einer Abschaltsequenz oder einer Abhilfemaßnahme geändert werden, um den Wert der Membranhydratation zu ändern.
Der Kühlmittelkreislauf kann eine Pumpe, einen Kühler, ein Umgehungsventil und ein Gebläse umfassen, wobei das Umgehungsventil mit dem Steuergerät signalverbunden ist, so dass bei Erreichen eines bestimmten Temperaturschwellenwerts das Steuergerät das Umgehungsventil betätigen kann, um ein Strömen von Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf anzupassen. Wie das Umgehungsventil kann das Gebläse mit dem Steuergerät signalverbunden sein, so dass bei Erreichen eines bestimmten Temperaturschwellenwerts das Steuergerät das Gebläse betätigen kann, um eine Temperatur eines durch den Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittels anzupassen. Der Temperatur-Sollwert wird aus der Mindeststöchiometrie abgeleitet, die einen stabilen Stapelbetrieb sicherstellt, und bei einem Mindestgegendruckwert, der dem sich in einem vollständig offenen Zustand befindenden Gegendruckventil entspricht. Eine solche Mindeststöchiometrie ist gegenüber dem Ausgehen von dem Ist-Stöchiometriesollwert, der unter bestimmten (zum Beispiel kalten) Bedingungen höher als die Mindeststöchiometrie sein könnte, bevorzugt. Das Ausgehen von dem Ist-Stöchiometriesollwert könnte nachteiligerweise zu der vorstehend erwähnten Windup-Bedingung führen. Das Steuergerät ist dafür ausgelegt, den Mindestgegendruckwert für die Soll-Last zu ermitteln, während das System arbeitet, wodurch die Notwendigkeit zum Neuberechnen oder sonstigen Neukonfigurieren des Steuergeräts im abgeschalteten Zustand vermieden wird. Änderungen des Gegendrucks können auftreten, wenn das System mit verschiedenen Konfigurationen betrieben wird. Zum Beispiel kann ein ein Brennstoffzellensystem enthaltendes Fahrzeug nach einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung auch einen längeren Radstand oder eine längere Gesamtlänge aufweisen, was zu einem längeren Kathodenluftauslasspfad zum Heckende des Fahrzeugs und dadurch zu einem höheren Gegendruck führt. Solche Abänderungen und ihre Auswirkung auf den Betrieb liegen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung. Das System kann weiterhin eine Befeuchtungsvorrichtung umfassen, die mit dem Kathodenströmpfad fluidverbunden ist und mit dem Steuergerät signalverbunden ist, so dass bei Erreichen eines geeigneten Signals von dem Steuergerät die Befeuchtungsvorrichtung zum Aufrechterhalten des Sollwerts relativer Feuchte beitragen kann.
Bei spezifischeren Optionen ist das Brennstoffzellensystem Teil eines Fahrzeugs, so dass das System eine Quelle für Antriebskraft ist. Insbesondere kann das Fahrzeug einen Unterboden umfassen, der zum Tragen der Antriebskraftquelle, eines drehend mit dem Unterboden verbundenen Antriebsstrangs, so dass der Antriebsstrang auf eine Ausgabe der Antriebskraftquelle reagiert, und mehrerer mit dem Antriebsstrang verbundener Räder ausgelegt ist.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Verfahren umfasst das Auslegen mindestens eines Brennstoffzellensystems wie im Wesentlichen bei der vorherigen Ausgestaltung vorstehend erläutert. Mit dem Kathodenströmpfad sind mehrere Strömungsänderungsvorrichtungen verbunden. Im vorliegenden Kontext können Strömungsänderungsvorrichtungen passive Komponenten wie Ventile sowie aktive (d. h. angetriebene oder stromverbrauchende) Komponenten umfassen. Einige Komponenten können sowohl aktive als auch passive Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel werden motorbetriebene Ventile oder Magnetventile aktiv gesteuert, neigen aber dazu, weit weniger Leistung als andere Vorrichtungen wie Verdichter zu verbrauchen.
Ein für den Kathodenströmpfad geeigneter Reaktant wird eingeleitet. Während keine Notwendigkeit besteht, die Stöchiometrie direkt zu erfassen, da sie aus dem Massenstrom in die Stapelkathode und aus dem elektrischen Strom des Stapels abgeleitet werden kann, gibt es Situationen, bei denen es vorteilhaft sein kann, mit einer Soll-Stöchiometrie statt mit der Ist-Stöchiometrie zu arbeiten. Das Ausgehen von dem Ist-Luftstrom und dem elektrischen Ist-Strom würde zum Beispiel einen Ist-Stöchiometriewert ergeben, der unter bestimmten Bedingungen stark schwanken kann, beispielsweise wenn der elektrische Ist-Strom des Stapels bei Spannungsproblemen der Zelle gesenkt werden muss. Um eine Auswirkung dieser Schwankung auf die Temperatur- und Drucksteuerung zu vermeiden, beruhen solche Steuerungen bevorzugt (wenngleich nicht notwendigerweise) auf der Soll-Stöchiometrie, bei der zum Arbeiten mit einem Steuergerät ausgelegte Algorithmen sicherstellen, dass sich die Ist- und Soll-Stöchiometrie im Schnitt langfristig entsprechen. Das Steuergerät kann die Strömungsänderungsvorrichtungen und/oder die Gastemperatur am Kathodenausgang des Stapels beeinflussen, um im Wesentlichen die erwünschte relative Feuchte zu erreichen. In Fällen, in denen Strömungsänderungsvorrichtungen beeinflusst werden, beruht diese Beeinflussung auf einem Algorithmus, der die Nutzung von Leistung minimiert, die zum Betätigen der Strömungsänderungsvorrichtungen erforderlich ist.
Optional umfassen die Strömungsänderungsvorrichtungen elektrisch betriebene Vorrichtungen; solche Vorrichtungen beziehen ihre Leistung aus der arbeitenden Brennstoffzelle, wodurch die Nettoausgangsleistung aus dieser reduziert wird. Beispiele für elektrisch betriebene Vorrichtungen, die verwendet werden können, umfassen ein Kühlgebläse und einen Verdichter. Das Kühlgebläse steht mit einem Kühlmittelkreislauf in Wärmeverbindung, der wiederum mit dem Kathodenströmpfad in Wärmeverbindung steht. Der Verdichter steht mit dem Kathodenströmpfad in Fluidverbindung. Das Verfahren kann zusätzlich das Auslegen einer Befeuchtungsvorrichtung, so dass sie mit dem Kathodenströmpfad in Fluidverbindung steht, umfassen. Die Befeuchtungsvorrichtung ist mit dem Steuergerät reagierend verbunden und dafür ausgelegt, selektiv zusätzliche Feuchtigkeit in den Kathodenströmpfad einzuleiten. Andere Vorrichtungen, beispielsweise eine Quelle eisgekühlten Wassers zum Kühlen, können ebenfalls in das System aufgenommen werden. Bei einer besonderen Form des Betriebs beruht ein Temperatur-Sollwert auf einem optimalen Druck, so dass das Halten oder Erreichen der relativen Feuchte (d. h. eines Sollwerts der relativen Feuchte) mit einem minimalen Betrag parasitären Leistungsverbrauchs erfolgt.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zum Regulieren der relativen Feuchte in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Das Verfahren umfasst das Erfassen einer Temperatur, eines Drucks und/oder einer Strömung, die einem durch einen Kathodenströmpfad des Systems strömenden Fluid zugeordnet sind, das Einleiten des Fluids in den Kathodenströmpfad und das Anpassen der Temperatur, des Drucks und/oder der Strömung, die dem Fluid zugeordnet sind, um eine erwünschte relative Feuchte entweder im Wesentlichen zu erreichen oder beizubehalten. Ein Steuergerät (wie es in Verbindung mit den vorherigen Ausgestaltungen beschrieben wurde) kann zum Berechnen einer erwünschten relativen Feuchte beruhend auf einem Ist-Betriebszustand des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Das Anpassen erfolgt so, dass parasitärer Leistungsverlust des Systems minimiert wird. Im vorliegenden Kontext wird ein parasitärer Leistungsverlust von der Last (oder anderen primären Leistungsentnahme) unterschieden, die zum vorrangigen Liefern von Leistung zu den Nebenaggregaten verwendet wird. In einer bevorzugten Option umfasst der parasitäre Leistungsverlust Leistungsverlust in Verbindung mit dem Betrieb eines mit dem Kathodenströmpfad fluidverbundenen Verdichters und/oder eines mit dem Kathodenströmpfad thermisch verbundenen Gebläses. Ein erwünschtes Druckniveau (d. h. ein Druck-Sollwert) beruht mindestens zum Teil auf einem erwünschten Temperaturniveau (d. h. einem Temperatur-Sollwert), das wiederum auf einem optimalen Druck beruht, so dass das Halten oder Erreichen der erwünschten relativen Feuchte (d. h. des Sollwerts relativer Feuchte) mit einem minimalen Betrag an parasitärem Leistungsverlust erfolgt.
Kurzbeschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnungen
Die folgende eingehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung lässt sich am Besten beim Lesen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verstehen, wobei eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen angezeigt wird. Hierbei zeigen:
1 bis 1C verschiedene Beziehungen, die sich auf die Steuerung der relativen Fechte in einem Brennstoffzellensystem-Strömpfad auswirken, einschließlich der Mindest- und Höchsttemperatur, der Mindeststöchiometrie und des Mindestgegendrucks als Beschränkungen bei der Art und Weise der Beeinflussung der relativen Feuchte;
2 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst und das für eine Fahrzeuganwendung ausgelegt ist;
3 eine repräsentative einzelne Brennstoffzelle, die zum Ausbilden des Brennstoffzellenstapels von 2 verwendet wird;
4 ein Blockdiagramm von erfindungsgemäßen Komponenten, die zum Regeln der relativen Feuchte des Brennstoffzellenstapels von 2 verwendet werden;
5 eine andere Ausführungsform, bei der eine Befeuchtungseinheit benutzt wird, um das Regeln der relativen Feuchte des Brennstoffzellenstapels von 2 zu unterstützen; und
6 ein das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem verwendendes Fahrzeug.
Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezug nun zunächst auf 2 und 6 hebt ein Blockdiagramm die Hauptkomponenten eines erfindungsgemäßen mobilen Brennstoffzellensystems 1 (2) sowie eine repräsentative Anordnung eines Brennstoffzellensystems in einer Kraftfahrzeuganwendung (6) hervor. Unter besonderem Bezug auf 2 umfasst das System 1 ein Brennstoffzufuhrsystem 100 (bestehend aus einer Brennstoffquelle 100A und einer Sauerstoffquelle 100B), ein Brennstoffverarbeitungssystem 200, eine Brennstoffzelle 300, eine optionale Energiespeichervorrichtung 400, einen Antriebsstrang 500 und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 600, die fiktiv als ein Rad dargestellt sind. Während das vorliegende System 1 für mobile Anwendungen (wie Fahrzeuganwendungen) gezeigt wird, versteht sich für den Fachmann, dass die Verwendung der Brennstoffzelle 300 und ihrer Nebenaggregate gleichermaßen auf stationäre Anwendungen übertragbar ist. Für den Fachmann ist auch ersichtlich, dass andere Brennstoffzufuhr- und Brennstoffverarbeitungssysteme zur Verfügung stehen. Zum Beispiel könnte es einige Varianten geben, bei denen im Wesentlichen gereinigter Brennstoff bereits verfügbar ist, wobei das Brennstoffverarbeitungssystem 200 nicht erforderlich sein muss. Die optionale Energiespeichervorrichtung 400 kann in Form von einer oder mehreren Batterien, Kondensatoren, Stromwandlern oder auch eines Motors zum Umwandeln des von der Brennstoffzelle 300 kommenden elektrischen Stroms in mechanische Leistung, beispielsweise die Leistung einer sich drehenden Welle, vorliegen, die zum Betreiben des Antriebsstrangs 500 und einer oder mehrerer Antriebsvorrichtungen 600 verwendet werden kann. Das Brennstoffverarbeitungssystem 200 kann integriert werden, um einen Rohbrennstoff, beispielsweise Methanol, in Wasserstoff oder einen wasserstoffreichen Brennstoff zur Verwendung in der Brennstoffzelle 300 umzuwandeln; ansonsten muss das Brennstoffverarbeitungssystem 200 bei Auslegungen, bei denen die Brennstoffquelle 100A bereits im Wesentlichen reinen Wasserstoff liefert, nicht erforderlich sein. Zwischen der Sauerstoffquelle 100B und der Kathode jeder Brennstoffzelle 300 kann ein Luftzufuhrsystem angeordnet sein und wird wie nachstehend beschrieben zum Beeinflussen des Strömens eindringender Luft von der Sauerstoffquelle 100B verwendet.
Unter Bezug als Nächstes auf 3 umfasst jede Brennstoffzelle 300 in einem Stapel 3000 eine Anode 310, eine Kathode 330 und eine zwischen der Anode 310 und der Kathode 330 angeordnete Elektrolytschicht 320.
Die Anode 310 umfasst ein Elektrodensubstrat 312 und eine mit einem Strömkanal 316 verbundene Katalysatorschicht 314. Die Kathode 330 umfasst ein Elektrodensubstrat 332 und eine mit einem Strömkanal 336 verbundene Katalysatorschicht 334. Die Strömkanäle 316, 336 bilden den Teil eines Anodenströmpfads und Kathodenströmpfads, die als Leitung zum Zuführen von Reaktanten zu ihrer jeweiligen Anode und Kathode dienen. In einer bevorzugten (aber nicht unbedingt ausschließlichen) Ausführungsform ist der durch den Strömkanal 316 geleitete Reaktant Wasserstoff, während der durch den Strömkanal 336 geleitete Reaktant Luft oder ein ähnliches sauerstoffreiches Fluid ist. Es sind die Eigenschaften dieser Luft, darunter mindestens Druck, Temperatur und Massenstrom, zu deren Beeinflussen die vorliegende Erfindung ausgelegt ist, um die relative Feuchte in der Brennstoffzelle 300 zu optimieren. Bevorzugt sind die Elektrodensubstrate 312, 332 porös, um eine Diffusion von Brennstoff und Sauerstoff sowie das Strömen von Wasser, das sich infolge der Reaktion von Brennstoff und Sauerstoff bildet, zuzulassen. Die Katalysatorschicht 314 besteht aus einem (nicht dargestellten) Katalysator, der an der Oberfläche eines (nicht dargestellten) Trägers dispergiert ist. Die Elektrolytschicht 320, die vorliegend in Form einer Protonenaustauschmembran gezeigt wird, ist zwischen jeder von Anode 310 und Kathode 330 angeordnet, um den ionisierten Wasserstoff von der Anode 310 zu der Kathode 330 strömen zu lassen, während das Fließen von elektrischem Strom dadurch gehemmt wird.
Brennstoff (typischerweise in Form von gasförmigem Wasserstoff) tritt durch den Strömkanal 316, was ein Diffundieren des Brennstoffs durch das Elektrodensubstrat 312 und das in Kontakt Kommen mit dem Katalysator ermöglicht, durch den die elektrochemische Oxidation des Wasserstoffbrennstoffs durch eine für eine dissoziative Adsorptionsreaktion gehaltene Reaktion abläuft. Diese Reaktion wird durch den Katalysator, typischerweise in Form von fein verteilten Partikeln eines Edelmetalls (beispielsweise Platin), die über die Oberfläche des Trägers, der typischerweise kohlenstoffbasiert ist, dispergiert sind, erleichtert. Das an der Anode 310 erzeugte positiv geladene Wasserstoffion (Proton) tritt dann durch den Elektrolyten 320, um mit den an der Kathode 330 erzeugten negativ geladenen Sauerstoffionen zu reagieren. Das Strömen von freigesetzten Elektronen erzeugt einen elektrischen Strom durch die Last 400, so dass ein Motor oder eine ähnliche auf elektrischen Strom reagierende Vorrichtung gedreht werden kann. Die in Form der zuvor erläuterten Energiespeichervorrichtung gezeigte Last 400 schlieft einen elektrischen Strömpfad zwischen der Anode und Kathode der Brennstoffzelle 300 ab. Eine (nicht dargestellte) zusätzliche Pumpe kann enthalten sein, um aus den Elektrodensubstraten 312, 332 Wasser zu entfernen, das sich ansonsten sammeln und möglicherweise die porösen Durchlässe blockieren würde.
Unter Bezug auf Nächstes auf 4 werden Einzelheiten einer Systemkonfiguration gezeigt, die zum Regeln der relativen Feuchte nach einer Ausführungsform der Erfindung ausgelegt ist. Der Anodenströmpfad 316 wird in vereinfachter Form gezeigt und wird mit Ausnahme seiner Integration als Teil eines der beiden Reaktanten befördernden Strömpfade, die mit dem Stapel 3000 verbunden sind, nicht weiter beschrieben. Der Kathodenströmpfad 336 umfasst eine Eingangsleitung, die mit einer Sauerstoffquelle 100B (in 2 gezeigt) fluidverbunden ist, so dass ein Sauerstoff führendes Fluid (beispielsweise Luft) den Eingängen der verschiedenen Kathoden zugeführt werden kann, und wobei eine Pumpe (nachstehend als Verdichter bezeichnet) 335 zum Erleichtern von Fluidströmen durch den Stapel 3000 verwendet werden kann. In einer Auslegung kann der Verdichter 335 ein Schraubenverdichter sein, wenngleich andere Auslegungen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Durch den Verdichter 335 erzeugte Luft tritt infolge der Verdichtung bei erhöhten Temperaturen in den Kathodenströmpfad 336 ein. Sobald das Sauerstoff führende Fluid durch den Stapel 3000 getreten ist, strömt es durch die Ausgangsleitung, das Gegendruckventil 337 und den Auslass 339. Ein oder mehrere Drucksensoren P und ein oder mehrere Durchflussmesser F sind entlang verschiedener Stellen in dem Kathodenströmpfad 336 angeschlossen, um den Druck bzw. die Strömrate des durch diesen hindurchtretenden Fluids zu erfassen. Diese und andere Sensoren (nachstehend erläutert) sind mit dem Steuergerät 1000 (nachstehend n her erläutert) signalverbunden. Es wird ein Kühlmittelkreislauf 340 verwendet, um die Temperatur in dem Stapel 3000, einschließlich der Temperatur des Kathodenströmpfads 336, zu regeln. Das Kühlmittel (das u. a. Wasser sein kann) wird in einer im Allgemeinen gemeinsam strömenden Anordnung mit dem Sauerstoff führenden Fluid, das durch den Kathodenströmpfad 336 tritt, umgewälzt. Eine Pumpe oder ein ähnlicher Verdichter 345 ist in dem Kühlmittelkreislauf 3409 fluidisch angeordnet, um das Umwälzen von Kühlmittel zu erleichtern. Der Kühlmittelkreislauf 340 umfasst parallele Zweige 340A und 340B, die durch das Umgehungsventil 347 getrennt sind. Der Zweig 340A umfasst einen Kühler 341 und ein damit einhergehendes Gebläse 343, das zum Tauschen von Wärme mit einer externen Wärmesenke (beispielsweise Luft in der Außenumgebung) verwendet werden kann, um die Temperatur des Kühlmittels niedrig zu halten. Ein oder mehrere Temperatursensoren T können mit dem Kühlmittelkreislauf 340 verbunden sein und können mit dem Steuergerät 1000 signalverbunden sein, um Informationen bezüglich der Temperatur des Kühlmittels zu liefern. In Situationen, bei denen eine erfasste Temperatur über einem Grenzwert liegt, kann das Umgehungsventil 347 angewiesen werden, einen Teil oder das gesamte Kühlmittel durch den Zweig 340A wegzuleiten. Wenn die Temperatur des Kühlmittels nicht sinkt, selbst nach dem Leiten durch den Zweig 340A, dann kann das Gebläse 343 den Betrieb aufnehmen, um dem Kühlmittel konvektives Kühlen zu liefern. In Situationen, bei denen eine erfasste Temperatur unter einem Schwellenwert liegt, kann das Umgehungsventil 347 angewiesen werden, einen Teil oder das gesamte Kühlmittel weg von dem Zweig 340A und in den Zweig 340B zu leiten. In dem Zweig 340B kann ein Rückschlagventil 349 angeordnet sein, um ein Rückströmen zu vermeiden.
Es ist wünschenswert, den Brennstoffzellenstapel 3000 so heiß wie möglich zu betreiben, ohne die Grenzwerte seiner einzelnen Komponenten zu überschreiten, da dies die Verwendung von Strom verbrauchenden Komponenten, wie des Gebläses 343, minimiert. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, sinkt die relative Feuchte mit der Temperatur und steigt mit dem Umgebungsdruck. Aus Gleichung (3) ist ersichtlich, dass der Molanteil an Wasser (ein Hinweis auf relative Feuchte) mit steigenden Stöchiometriewerten sinkt. Während der Umgebungsdruck mit dem Luftstrom steigt, gibt es ferner Grenzwerte bei der Luftmenge, die durch den Verdichter 335 bereitgestellt werden kann. Analog kann es wünschenswert sein, den Gegendruck so niedrig wie möglich zu halten, da dies die Verwendung des Verdichters minimiert, der ein signifikanter Verbraucher der von dem Stapel 3000 erzeugten Elektrizität ist. Eine Möglichkeit, um zu helfen, dies zu erreichen, besteht darin, das Gegendruckventil 337 so offen wie möglich zu halten. Natürlich gibt es Grenzen, wie offen das Ventil 337 sein kann, da Temperaturwirkungen ins Spiel kommen. Aus Sicht der Betriebsbereitschaft ist es erwünscht, genau so viel Stöchiometrie vorzusehen, wie von dem Betrag elektrischen Stroms benötigt wird, der in der katalytischen Reaktion von Luft und Protonen erzeugt wird. Eine übermäßige Stöchiometrie ist zwar Leicht vorzusehen, erfordert aber in unerwünschter Weise einen zusätzlichen Verdichterbetrieb. Analog kann der Verdichter 335 bei sehr hohen erzeugten Werten elektrischen Stroms eine Mindeststöchiometrie liefern.
Das Steuergerät 1000 wird genutzt, um zu ermitteln, welche Komponenten arbeiten sollten, um die in den Kathodenströmpfad 336 kommende Luft zu beeinflussen. Insbesondere kann das Steuergerät 1000 verwendet werden, um Temperatur-, Stöchiometrie- und Druck-Sollwerte festzulegen, um die relative Feuchte so zu regeln, dass die Verwendung parasitärer Vorrichtungen (beispielsweise des Verdichters 335 und des Gebläses 343) reduziert wird. Wie vorstehend erwähnt können mehrere Luftparameter messende Sensoren, beispielsweise der Durchflussmesser F, der Temperatursensor T und der Drucksensor P, verwendet werden, um dem Steuergerät 1000 Signale zu liefern. Das Steuergerät 1000 umfasst einen Regelkreis in Signalverbindung mit den Sensoren F, T und P, um auf einen dadurch erfassten Wert zu reagieren. Das Steuergerät 1000 kommuniziert mit den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1, um deren Betrieb zu koordinieren. Das Steuergerät 1000 kommuniziert zum Beispiel mit dem Verdichter 335, um die Menge des dem Brennstoffzellenstapel 3000 gelieferten Kathodenreaktanten zu steuern. Das Steuergerät 1000 kommuniziert auch mit dem Kühlmittelkreislauf 340, um die Temperatur des durch den Brennstoffzellenstapel 3000 strömenden Kathodenreaktanten zu steuern. Das Steuergerät 1000 kann ein einzelnes Steuergerät oder mehrere Steuergeräte sein, deren Funktion koordiniert wird, um einen erwünschten Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 vorzusehen. Ferner kann das Steuergerät 1000 nach Bedarf ein oder mehrere Module umfassen, um die nötige Funktionalität auszuführen. Der Begriff „Modul”, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC, kurz vom engl. Application Specific Integrated Circuit), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (geteilt, dediziert oder Gruppe) samt Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmware-Programme ausführen, eine kombinatorische Logikschaltung und/oder andere geeignete Komponenten, die die beschriebene Funktionalität vorsehen. In einer Form kann ein Prozessor oder Logikmodul (nicht dargestellt) verwendet werden, um die gesamte Koordination des Steuergerätaktivitäten vorzusehen, und kann arithmetische Funktionen zur Ermittlung, ob eine Beeinflussung einer oder mehrerer Komponenten in dem System 1 erforderlich ist, umfassen. Ein (nicht dargestelltes) Verknüpfungsmodul kann mit einem Strommesser oder einer ähnlichen elektrischen Strom erfassenden Vorrichtung signalverbunden sein, um eine Überwachung von Last zu ermöglichen. Ein (nicht dargestelltes) Speichermodul kann zum Speichern von Zeit und Verstreichen von Zeit sowie von Last- und Sollwert-Informationen (einschließlich Temperatur, Druck und Stöchiometrie) verwendet werden. Andere Module können abhängig von den Funktionsanforderungen des Systems 1 aufgenommen werden.
Der Temperatur-Sollwert beruht vorrangig auf einer Anteilschätzung, die selbst aus der Soll-Stöchiometrie der Kathode abgeleitet wird. Das Heranziehen der Soll-Stöchiometrie an Stelle der Ist-Werte vermeidet Sollwert-Schwankungen aufgrund von Diagnosefunktionen, die die Ist-Last vorübergehend senken. Weiterhin können Änderungen des Stöchiometrie-Sollwerts während der Laufzeit einfach implementiert werden, zum Beispiel durch Bedienereingabe. Der aus dem Stächiometrie-Sollwert abgeleitete Anteil kann wie folgt gezeigt werden:
wobei λ gleich der Kathodenstächiometrie ist und y_H2Ooutest gleich dem Molanteil ist. Es können Beispiele für erwünschte Bedingungen festgelegt werden. Zum Beispiel kann der Stöchiometriegrenzwert bei 150% festgelegt werden, während die Temperatur und der Druck bei 100% festgelegt sind. Die Einstellungen können so vorgenommen werden, dass Windup-Probleme vermieden werden, während eine geringere Nutzung des Verdichters 335 vorliegt. Eine Möglichkeit, wie Windup ansonsten auftreten könnte, wird im Folgenden beschrieben: ein Stöchiometrie-Sollwert von 100% könnte einen höheren Luftstrom hervorrufen, sobald die Ist-RH 100% überschreitet. Wenn nur wenig Überschießen des Luftstroms vorliegt, würde die RH unter 100% fallen und der Druck-Sollwert würde ansteigen. Ein Drucküberschießen würde dann die RH wieder über 100% gehen lassen und wieder einen höheren Luftstrom hervorrufen, so dass das System schließlich entweder bei einem Höchstdruck oder einem maximalen Luftstrom endet. Dieser Umstand wird dadurch verschärft, dass die Temperatursteuerung ebenfalls ins Spiel kommt. Um das Windup-Problem zu vermeiden, kann der für die Stöchiometrie-Steuerung zutreffende RH-Sollwert bei einem anderen Wert als bei den für die Steuerung der Temperatur und/oder des Drucks festgelegt werden. Wenn der erste Sollwert erheblich höher ist (zum Beispiel 150% gegenüber 100%), würde der Luftstrom nur verstärkt werden, wenn sich das System wirklich fern dieser Sollbetriebsbedingung befindet und wenn keine Gefahr besteht, dass ein vorübergehend zu hoher Luftstrom die RH unter den Sollwert für die Drucksteuerung schiebt. Während ein geeigneter Temperatur-Sollwert die RH beeinflusst und daher nahezu immer während des Betriebs erforderlich ist und ein Druck-Sollwert jedes Mal in Spiel kommt, wenn der Kühlmittelkreislauf 340 nicht verhindern kann, dass das System 1 zu höheren Temperaturen als dem Temperatur-Sollwert geht (d. h. ständig bei hohen Umgebungstemperaturen), sollte eine erhöhte Stöchiometrie nur in seltenen Situationen erforderlich sein. Daher ist ein RH-Sollwert für die Stöchiometrie-Steuerung, der höher als der ursprünglich geplante Sollwert für die gesamte RH-Steuerung ist, zulässig. Weiterhin verhindert ein höherer RH-Sollwert, dass ein viel Leistung verbrauchender Anstieg des Luftstroms (d. h. Verdichterdrehzahl) zu häufig auftritt.
Zum anderen beruht der Temperatur-Sollwert auf einer Gegendruckschätzung bei vollständig offenem Gegendruckventil 337, was dem niedrigst möglichen Gegendruck bei dem Ist-Luftstrom entspricht. Somit ist es erwünscht, ein Modell zu schaffen, das einen minimalen Druckwert ergibt (beispielsweise wenn das Gegendruckventil 337 voll geöffnet ist). Die Gegendruckschätzung selbst addiert die Umgebungsdruckmesswerte zu der Ausgabe eines adaptiven Druckabfallalgorithmus, der den quadratischen Koeffizienten a eines Polynoms zweiter Ordnung berechnet, der immer, wenn sich das wirkliche Gegendruckventil 337 in der vollständig offenen Stellung befindet, adaptiert werden kann: p_{out min est} = p_amb + aV ._air + bV ._air (4) wobei a und b Parameter sind, die auf die spezifische Auslegung der Anwendung, in die das System 1 gesetzt wird, abgestimmt sind, V ._air gleich dem Luftmassenstrom ist (wobei der Term zum Quadrat Turbulenzwirkungen berücksichtigt) und p gleich den jeweiligen Umgebungsdrücken und geschätzten Kathodenausgangmindestdrücken ist. Diese Schätzung des Mindestgegendrucks erfolgt mit dem Gegendruckventil 337 in einer vollständig offenen Stellung. Demgemäß ist dieser Wert immer größer als die Umgebungsbedingung. Wenn das Ventil vollständig geöffnet ist, ist das Modell nicht erforderlich, zu welchem Zeitpunkt Ist-Druckmesswerte genommen werden können und die Parameter a und b angepasst werden können. Die Anpassung ermöglicht einen einzigen Software-Satz für unterschiedliche Anwendungen mit verschiedenen Kathodenabgas-Gegendrücken. Zudem deckt sie Änderungen des Gegendrucks während der Laufzeit ab; solche Änderungen können auf im System auftretende Änderungen zurückzuführen sein, beispielsweise Schmutzbildung in der Abgasanlage. Die Temperatur- und Druck-Sollwerte sind wie folgt:
und T_coolantoudes = f(p_satH2Odes) (6) wobei f(p_satH2Odes) die Umkehrfunktion der Antoine-Wassersättigungsdruckkurve ist. Wie vorstehend erwähnt, ist es vorteilhaft, den Anteil als Funktion der Soll-Stöchiometrie am Last-Sollwert statt bei der Ist-Last zu verwenden. Aus diesen Sollwerten kann der Molanteil von Gleichung (3) berechnet werden. Dies ist eine Möglichkeit, um den erwünschten Kühlmittel-Sollwert für die Beeinflussung des Kühler-Umgehungsventils 347 und des Gebläses 343 zu erhalten.
Der Druck-Sollwert am Ausgang des Kathodenströmpfads 336 wird online aus der Ist-Kühlmitteltemperatur und der Kathodenausgangs-Anteilschätzung abgeleitet, so dass Änderungen der Mindeststöchiometriewerte in Echtzeit während des Betriebs des Systems 1 kompensiert werden können:
mit p_satH2O = f(T_coolantout) (8) wobei p_des der Druck-Sollwert am Kathodenausgang ist und p_saH2O die Antoine-Wasserdrucksättigungskurve bildet. Somit kann der Druck-Sollwert ohne den Nachteil des Windup-Zustands aus der Ist-Temperatur abgeleitet werden, da der Temperatur-Sollwert keine Funktion des Ist-Drucks ist. Es ist auch ersichtlich, dass es bevorzugt ist, den Temperatur-Sollwert auf einem optimalen Druckmodell fußen zu lassen, um schließlich einen solchen optimalen Druck zu erhalten, statt eine optimale Temperatur zur Vorgabe zu machen. Bei Erhalten der Ist-Temperatur des letzteren Vorgehens kann der sich ergebende Druck zusätzliche Verdichterlast hervorrufen. Somit beansprucht das Senken der Temperatur zum Halten von RH für gewöhnlich weniger parasitäre Energie als das Anheben des Drucks.
Die Verwendung der Molanteilschätzung beruhend auf dem Last-Sollwert und der entsprechenden Mindeststöchiometrie im Nenner der Gleichung (7) vermeidet eine Schwankung des Druck-Sollwerts, selbst wenn die Ist-Last vorübergehend nicht dem Last-Sollwert entspricht. Dies wird auf System 1 übertragen, wobei ein Drucksteueralgorithmus einen Druck-Sollwert festlegt, der auf der Ist-Temperatur des Kühlmittelausgangs beruht. Dieser Druck-Sollwert wird in einen Stellungsbefehl für das Gegendruckventil 337 umgewandelt. Wenn dieser Befehl gleich einer vollständig offenen Stellung ist, wird das Gegendruckmodell des Kathodenabgaspfads so adaptiert, dass es der Ist-Differenz zwischen dem Kathodenausgangsdruck des Stapels und dem Umgebungsdruck entspricht, wobei der Ist-Massenstrom von Luft durch den Kathodenströmpfad 336 bertücksichtigt wird. Wenn der Befehl über dem Gegendruckventil 337 sich von der vollständig offenen Einstellung unterscheidet, wird die Adapation hinausgezögert, und der Ist-Ausgangsdruck in dem Kathodenströmpfad 336 hat keine weitere Auswirkung. Ein Temperatursteueralgorithmus berechnet den Temperatur-Sollwert immer beruhend auf der Modellausgabe. Im vorliegenden Kontext wird der Begriff „Modell” für Software verwendet, die einen virtuellen Sensormesswert aus Messwerten physikalisch vorhandener Sensoren erzeugt, während (Steuer)Algorithmen im Allgemeinen Sollwerte (Stellung, Temperatur, Druck und dergleichen) aus realen oder virtuellen Sensormesswerten erzeugen. Ferner könnten Modelle sowie Algorithmen eine Art von Hierarchie bilden, bei der Modelle virtuelle Messwerte zusätzlich zu realen Messwerten oder nur virtuellen Messwerten nehmen könnten, um weitere virtuelle Messwerte zu erzeugen. Ein Algorithmus könnte einen Druck-Sollwert als Eingabe erhalten und eine Stellung des Gegendruckventils als Ausgabe erzeugen, wobei auf diese Weise eine kaskadierte Steuerung vorgesehen wird.
Das Modell kann bei Laufzeit angepasst werden, wenn das Gegendruckventil 337 vollständig offen ist. Somit kann ein Steuergerät 1000 für das Brennstoffzellensystem 1 durch die vorliegende Erfindung den besten Sollwert relativer Feuchte erreichen und halten, indem die Drehzahl des Verdichters 335, die Stellung des Gegendruckventils 337 und die Temperatur des durch den Kathodenströmpfad 336 strömenden Fluids geändert (bevorzugt minimiert) wird. Es ist sicher noch in Erinnerung, dass der Sollwert relativer Feuchte des Kathodenausgangs des Stapels allgemein von der Stapeltechnologie abhingt und nicht von Betriebsbedingungen wie Temperatur, Druck und dergleichen. Somit ist dieser Sollwert ein fester Parameter in der Software, der nicht während des normalen Betriebs geändert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei einem System mit parallelen Kathodenabgaspfaden verwendet werden. Bei einer solchen Auslegung können parallele Gegendruckventile (ähnlich dem Gegendruckventil 337) so gesteuert werden, dass sich der Druckabfall nicht ändert, wenn das Strömen von einem Pfad zum anderen gewechselt wird. Dies macht es möglich, dass die vorstehend erwähnte Druckannahme gültig bleibt.
Bei einem anderen Vorgehen kann die Kathodeneingangsbefeuchtung verwendet werden, wie insbesondere in 5 gezeigt wird. In diesem Fall kann eine Vorrichtung, beispielsweise eine Wasserdampfübertragungseinheit 338 durch den Kathodenströmpfad 336 mit dem System 1 gekoppelt werden. Unter der Annahme, dass soviel relative Feuchte wie möglich für den Stapel 300 am Besten ist, kann der Temperatur-Sollwert auf der Mindeststöchiometrie, dem geschätzten Mindestgegendruck und in diesem Fall zusätzlich auf der maximal erreichbaren relativen Feuchte des Eingangs bei der Soll-Last beruhen. Die maximal erreichbare relative Feuchte des Eingangs würde ein Modell der Befeuchtungsvorrichtung erfordern, das mit dem vorstehend beschriebenen Druckabfallmodell des Kathodenabgaspfads vergleichbar ist. Die folgende Gleichung beschreibt, wie der Wasseranteil des Stapelausgangs aus dem Wasseranteil des Stapeleingangs berechnet werden kann. Es versteht sich, dass sie nicht ein Modell für die Leistung bestimmter Komponenten, beispielweise einer Wasserdampfübertragungseinheit, vorsieht.
wobei y_H2Oinest der Molwasseranteil in dem Kathodenströmpfad 336 zwischen dem Ausgang der Befeuchtungsvorrichtung und dem Eingang des Stapels 3000 ist. Der Wert ist die Ausgabe des Befeuchtungsvorrichtungsmodells 1100, der adaptiert werden würde, während die Befeuchtungsvorrichtung 338 bei maximaler Leistung betrieben wird, und veranlasst würde, die mögliche maximale Leistung zu berechnen, während die Ist-Leistung reduziert werden muss. Dies steuert das System 1 zur optimalen Temperatur und ermöglicht eine maximale relative Feuchte des Eingangs sowie einen möglichst niedrigen Druck, während die Ausgangsanforderung der relativen Feuchte aufrechterhalten wird, selbst wenn die tatsächliche relative Feuchte des Eingangs gesenkt werden muss, um Temperaturabweichungen oder andere transiente Wirkungen auszugleichen.
Dies könnte in dem System 1 in folgender Weise implementiert werden. Die relative Feuchte in dem Sollwert-Algorithmus 1200 steuert die Leistung der Befeuchtungsvorrichtung 338 durch das Steuersignal 1210, das zum Beispiel eine (nicht dargestellte) Ventilstellung ändern kann. Jedes Mal, wenn maximale Leistung gefordert wird, wird die Modellausgabe für die Wasserübertragungsrate T adaptiert, um die tatsächliche relative Feuchte des Kathodeneingangs anzupassen. Wenn die relative Feuchte des Eingangs gesenkt werden muss, um transiente Abweichungen zu kompensieren, wird die Adaption angehalten und das Modell schätzt den Wasseranteil an dem Eingang von Stapel 3000 unter der Annahme maximaler Befeuchtungsleistung und des Soll-Luftmassenstroms. Der Algorithmus 1300 des Temperatur-Sollwerts benutzt immer die Modellausgabe zum Erreichen des optimalen Sollwerts, wobei die vollständige Befeuchtungsleistung ohne zu hohe relative Feuchte am Ausgang des Stapels 3000 verwendet werden kann.

Claims

Brennstoffzellensystem (1) umfassend: mindestens eine Brennstoffzelle (300) mit einer Anode (310), einer Kathode (330) und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyten (320); einen Anodenströmpfad (316), der zum Befördern eines ersten Recktanten zu der Anode (310) ausgebildet ist; einen Kathodenströmpfad (336), der zum Befördern eines zweiten Recktanten zu der Kathode (330) ausgebildet ist; einen Kühlkreislauf (340) in thermischer Verbindung mit dem Anodenströmpfad (316) und/oder dem Kathodenströmpfad (336); mindestens eine mit dem Kathodenströmpfad (336) fluidisch verbundene Pumpe (335); mindestens ein in dem Kathodenströmpfad (336) fluidisch angeordnetes Gegendruckventil (337); mehrere Sensoren, die mit dem Kathodenströmpfad (336) gekoppelt sind, so dass bei einem Strömen des zweiten Recktanten angrenzend an den mehreren Sensoren die mehreren Sensoren ein Signal erzeugen, das dem zweiten Recktanten entspricht, wobei die mehreren Sensoren mindestens einen Durchflussmesser, mindestens einen Temperatursensor und mindestens einen Drucksensor umfassen; und ein Steuergerät (1000), das mit den mehreren Sensoren signalverbunden und dazu ausgebildet ist, die Pumpe (335) und/oder das Gegendruckventil (337) als Reaktion auf Änderungen der relativen Feuchte des zweiten Recktanten in dem Kathodenströmpfad (336) zu betreiben, um die relative Feuchte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten, wobei das Steuergerät (1000) dazu ausgebildet ist, einen Temperatur-Sollwert, einen Druck-Sollwert und einen Stöchiometrie-Sollwert, die in dem Steuergerät (1000) festgelegt sind, mit einer Betriebsbedingung des Systems (1) zu korrelieren, so dass das Beibehalten der relativen Feuchte mit einem minimalen Betrieb der Pumpe (335) erreicht wird, wobei das Steuergerät (1000) weiterhin dazu ausgebildet ist, den Temperatur-Sollwert aus dem Stöchiometrie-Sollwert und aus einem minimalen Gegendruckwert abzuleiten, wobei der minimale Gegendruckwert dem sich in einem vollständig offenen Zustand befindenden Gegendruckventil (337) entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei der Mühlkreislauf (340) eine Pumpe (345), einen Kühler (341), ein Umgehungsventil (347) und ein Gebläse (343) umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei mindestens das Umgehungsventil (347) mit dem Steuergerät (1000) signalverbunden ist, so dass bei Erreichen eines bestimmten Temperaturschwellenwerts das Steuergerät (1000) das Umgehungsventil (347) betätigen kann, um ein Strömen von Kühlmittel durch den Kühler (341) anzupassen.
System nach Anspruch 2, wobei mindestens das Gebläse (343) mit dem Steuergerät (1000) signalverbunden ist, so dass bei Erreichen eines bestimmten Temperaturschwellenwerts das Steuergerät (1000) das Gebläse (343) betätigen kann, um eine Temperatur des durch den Kühlkreislauf (340) strömenden Kühlmittels anzupassen.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (1000) dazu ausgebildet ist, die beibehaltene relative Feuchte in Echtzeit zu ermitteln, während das System (1) arbeitet.
System nach Anspruch 1 weiterhin umfassend: eine mit dem Kathodenströmpfad (336) fluidverbundene und mit dem Steuergerät (1000) signalverbundene Befeuchtungsvorrichtung (338), so dass bei Erreichen eines geeigneten Signals von dem Steuergerät (1000) die Befeuchtungsvorrichtung (338) zum Beibehalten der relativen Feuchte beitragen kann.
Verwendung eines Systems nach Anspruch 1 als Antriebsquelle für ein Fahrzeug.
Verwendung wie in Anspruch 7, wobei das Fahrzeug umfasst: einen zum Tragen der Antriebsquelle ausgelegten Unterboden; einen Antriebsstrang (500), der auf Ausgabe von der Antriebsquelle drehend reagiert, wobei der Antriebsstrang (500) mit dem Unterboden verbunden ist; und mehrere mit dem Antriebsstrang verbundene Räder (600).
System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (1000) dazu ausgebildet ist, den Temperatur-Sollwert in Abhängigkeit von einem optimalen Druck festzulegen, so dass das Beibehalten oder Erreichen eines bevorzugten Werts relativer Feuchte mit einem minimalen Betrag parasitären Leistungsverbrauchs von der mindestens einen Brennstoffzelle (300) erfolgt.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), welches eine Anode (310), eine Kathode (330), einen zwischen der Anode (310) und der Kathode (330) angeordneten Elektrolyten (320), einen Anodenströmpfad (316), der dazu ausgebildet ist, einen ersten Recktanten zu der Anode (310) zu befördern; einen Kathodenströmpfad (336), der dazu ausgebildet ist, einen zweiten Reaktanten zur Kathode (330) zu befördern, einen Kühlkreislauf (340) in thermischer Verbindung mit dem Anodenströmpfad (316) und/oder dem Kathodenströmpfad (336) und mehrere mit dem Kathodenströmpfad (336) verbundene Strömungsänderungsvorrichtungen (335, 337, 343) mit einem Gegendruckventil (337) umfasst; wobei das Verfahren umfasst: Einleiten des zweiten Recktanten in den Kathodenströmpfad (336); Erfassen einer Temperatur, eines Drucks und/oder einer Stöchiometrie, welche dem zweiten Recktanten zugeordnet sind; Bereitstellen eines Steuergeräts (1000) zum Berechnen einer erwünschten relativen Feuchte beruhend auf dem Ist-Zustand des Systems (1); und Beeinflussen mindestens einer der mehreren Strömungsänderungsvorrichtungen (335, 337, 343), um die erwünschte relative Feuchte zu erreichen, oder falls die erwünschte relative Feuchte erreicht wurde, um die erwünschte relative Feuchte bei dem erreichten Wert zu halten, wobei das Beeinflussen mindestens einer der mehreren Strömungsänderungsvorrichtungen (335, 337, 343) auf einem mit dem Steuergerät (1000) zusammenwirkenden Algorithmus beruht, der den Betrieb der mehreren Strömungsänderungsvorrichtungen (335, 337, 343) minimiert, wobei der Algorithmus auf der Korrelation eines Temperatur-Sollwerts, eines Druck-Sollwerts und eines Stöchiometrie-Sollwerts, die in dem Steuergerät (1000) festgelegt sind, mit einer Betriebsbedingung des Systems beruht, und wobei der Algorithmus ferner darauf beruht, den Temperatur-Sollwert aus dem Stöchiometrie-Sollwert und aus einem minimalen Gegendruckwert abzuleiten, wobei der minimale Gegendruckwert einem sich in einem vollständig offenen Zustand befindenden Gegendruckventil (337) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die mehreren Strömungsänderungsvorrichtungen (335, 337, 343) elektrisch betriebene Vorrichtungen umfassen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die elektrisch betriebenen Vorrichtungen ein Kühlgebläse (343) und/oder einen Verdichter (335) umfassen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Kühlgebläse (343) in thermischer Verbindung mit dem Kühlkreislauf (340) steht, der wiederum in thermischer Verbindung mit dem Kathodenströmpfad (336) steht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Verdichter (335) in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmpfad (336) steht.
Verfahren nach Anspruch 10 weiterhin umfassend: Bereitstellen einer Befeuchtungsvorrichtung (338), so dass sie in Fluidverbindung mit dem Kathodenströmpfad (336) steht, wobei die Befeuchtungsvorrichtung (338) mit dem Steuergerät (1000) reagierend verbunden und dazu ausgebildet ist, selektiv zusätzliche Feuchtigkeit in den Kathodenströmpfad (336) einzubringen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Temperatur-Sollwert in Abhängigkeit von einem optimalen Druck festgelegt wird, so dass das Beibehalten oder Erreichen der relativen Feuchte mit einem minimalen Betrag an parasitärem Leistungsverbrauch von dem Brennstoffzellensystem (1) erfolgt.