DE102008031969A1 - Steuerverfahren für den Betrieb von kalten Brennstoffzellensystemen - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet
- Das Gebiet, das die vorliegende Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Brennstoffzellen, Brennstoffzellenkomponenten, Brennstoffzellensteuersysteme und ein Verfahren zum Verwenden und Betreiben derselben.
- Hintergrund
- Brennstoffzellen werden als Antriebsquelle für viele Anwendungen vorgeschlagen, zum Beispiel als primäre Antriebsquelle in Fahrzeugen und dergleichen. Um Kundenerwartungen bei Fahrzeuganwendungen gerecht zu werden, sollte die Brennstoffzelle zu schneller Inbetriebnahme fähig sein. Bei relativ hohen Umgebungstemperaturen (z. B. um 20°C oder darüber) kann ein Brennstoffzellenstapel, der mehrere miteinander gebündelte einzelne Brennstoffzellen umfassen kann, in einem angemessenen Zeitraum gestartet werden und zulässige Betriebsbedingungen erreichen. Bei manchen Anwendungen kann die bevorzugte Betriebstemperatur um 80°C liegen.
- Bei relativ niedrigen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von etwa –25°C, ist eine schnelle Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels schwieriger, da bei diesen Temperaturen die Rate, bei der die gesamte elektrochemische Reaktion erfolgt, erheblich reduziert ist. Dies beschränkt die Menge an elektrischem Strom, die dem Stapel entzogen werden kann, sowie die sich ergebende Wärmeleistung des Sta pels. Die verringerte Leistung des Brennstoffzellenstapels kann die Anfahrleistung des Fahrzeugs verschlechtern und die Rate, bei der der Fahrzeuginnenraum erwärmt wird, die Rate, bei der die Windschutzscheiben-Entfrostmechanismen arbeiten, und dergleichen verlangsamen.
- Zusammenfassung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
- Eine Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle und einen Verdichter, der Luft zu der Brennstoffzelle liefert, umfasst. Das Verfahren umfasst das Erfassen einer Temperatur, die die Temperatur einer Brennstoffzelle anzeigt, das Vorsehen einer Drosselung in einem Luftströmpfad zur Brennstoffzelle, wenn die erfasste Temperatur unter einem Schwellenwert liegt, und das Anheben der Drehzahl des Verdichters, um einen Sollluftstrom zu der Brennstoffzelle vorzusehen. In mindestens einigen Ausführungen hebt das Anheben der Drehzahl des Verdichters die von der Brennstoffzelle zum Antreiben des Verdichters abgezogene Leistung an und trägt dazu bei, die Wärme der Brennstoffzelle zu steigern. Die erhöhte Drehzahl des Verdichters kann auch zu einem wärmeren Luftstrom von dem Verdichter führen, der die Temperatur der Systemkomponenten weiter anheben kann.
- Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem, das mindestens eine Brennstoffzelle, einen Verdichter mit einem mit der Brennstoffzelle in Verbindung stehenden Ausgang zum Vorsehen eines getriebenen Luftstroms bzw. Zwangsluftstroms zu der Brennstoffzelle und mindestens einen zwischen dem Verdichterausgang und der Brennstoffzelle angeordneten Durchflussregler aufweist, durch den die Zwangsluft von dem Verdichter zu der Brennstoffzelle strömt. Der Durchflussregler kann ein Ventil bzw. Ventile sein, das bzw. die eine verstellbare Drosselung der Fläche zum Strömen von Luft durch das Ventil/die Ventile vorsieht/vorsehen. Das System kann weiterhin einen Luftstromsensor, der zum Liefern eines den Durchsatz von Luft zur Brennstoffzelle anzeigenden Signals ausgelegt ist, einen Temperatursensor, der zum Liefern eines mindestens eines von Umgebungstemperatur oder einer Temperatur der Brennstoffzelle anzeigenden Signals ausgelegt ist, und ein Steuersystem umfassen. Das Steuersystem kann mit dem Luftstromsensor, dem Temperatursensor, dem Verdichter und dem Ventil/den Ventilen in Verbindung stehen und in der Lage sein, ein Signal zu dem Ventil/den Ventilen zu liefern, um die Drosselung des Luftstroms durch das Ventil/die Ventile zu verstärken, wenn der Temperatursensor ein Signal liefert, das einen Temperatur unter einem Schwellenwert anzeigt. Das Steuersystem kann auch ein Signal zum Steuern des Verdichterbetriebs liefern, um einen vorbestimmten Luftstrom zu der Brennstoffzelle vorzusehen, selbst wenn das Ventil/die Ventile die von Luft zu durchströmende Fläche verkleinert/verkleinern.
- Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehend vorgesehenen näheren Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die nähere Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, aber nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
- Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lassen sich anhand der näheren Beschreibung und der Begleitzeichnungen besser verstehen. Hierbei zeigen:
-
1 schematisch ein Steuersystem zum Verbessern der Kaltstartleistung eines Brennstoffzellenstapels; und -
2 eine Kurvendarstellung von Verdichterdruckverhältnis und Luftmassenstromrate. - Eingehende Beschreibung der Erfindung
- Unter näherem Bezug auf die Zeichnungen veranschaulicht
1 ein Steuersystem für ein Brennstoffzellenantriebssystem10 , wie es in einer Fahrzeuganwendung eingesetzt werden kann. Die Brennstoffzellenarchitektur und ihre Steuerungen können von beliebiger herkömmlicher oder nachstehend entwickelter Form sein. In der in1 gezeigten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellenantriebssystem10 mindestens eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel12 . Ein Verdichter14 ist vorgesehen und wird von einem Elektromotor16 angetrieben. Der Verdichter14 sieht einen Zwangsluftstrom zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels12 vor, und dieser Zwangsluftstrom kann in einem Befeuchter32 befeuchtet werden, und sein Druck kann durch einen Druckregler oder durch Regelung seines Motors unter Verwendung eines geeigneten Drucksensors46 gesteuert werden. Der Zwangsluftstrom kann dem Brennstoffzellenstapel12 durch einen Luftkühler18 geliefert werden, der zum Senken der Temperatur der unerwünscht erwärmten Luft ausgelegt ist, so dass der Luftstrom zur Brennstoffzelle12 innerhalb eines erwünschten Temperaturbereichs für den Betrieb der Brennstoffzelle liegt. Es können ein oder mehrere verstellbare Durchflussbegrenzer, beispielsweise Strömungssteuerventile20 ,22 , zwischen dem Verdichterausgang und dem Brennstoffzellenstapel12 angeordnet sein, um den Durchsatz des Luftstroms zu dem Stapel12 zu steuern. In einer Ausführungsform ist das Strömungssteuerventil22 in einer Umgehungsleitung21 um den Befeuchter32 vorgesehen. - In der gezeigten Ausführungsform gibt es zwei Strömungssteuerventile
20 ,22 , wobei ein Ventil20 mit dem anderen Ventil20 und dem Kathodenbefeuchter32 parallel verbunden ist. Demgemäß strömt ein Teil des ausgestoßenen Luftstroms von dem Verdichter14 durch ein Ventil20 und dann durch den Kathodenbefeuchter32 , während ein separater Teil durch den Kathodenbefeuchter32 strömt und durch das zweite Ventil22 strömt. In der gezeigten Ausführungsform laufen die geteilten Luftströme stromabwärts des Kathodenbefeuchters32 zusammen und werden dem Brennstoffzellenstapel in einer einzigen Leitung24 zugeführt, wenngleich andere Anordnungen genutzt werden können. - In einer Ausführung kann das Steuersystem
25 ein oder mehrere Steuergeräte26 umfassen, die mit dem Verdichter14 , dem Brennstoffzellenstapel12 , den Strömungssteuerventilen20 ,22 und mit einem oder mehreren Sensoren wirkverbunden sind, um mindestens gewisse Gesichtspunkte des Betriebs des Brennstoffzellenantriebssystems zu steuern. Das Steuergerät26 kann ein oder mehrere diskrete Steuereinrichtungen umfassen, die miteinander in Verbindung stehen können, oder das Steuergerät kann ein einziges Steuergerät umfassen, das zumindest die nachstehend beschriebenen Funktionen steuert. Ein beispielhafter Sensor, der mit dem Brennstoffzellenantriebssystem10 verwendet werden kann, umfasst einen Temperatursensor28 , der dem Steuergerät26 ein Signal liefert, das die Temperatur der in den Brennstoffzellenstapel12 eindringenden Luft oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels12 selbst oder die Umgebungstemperatur oder eine Kombination derselben anzeigt. Ein anderer beispielhafter Sensor kann einen Luftstromsensor30 umfassen, der dem Steuergerät26 ein Signal liefert, das die von dem Verdichter14 zu dem Brennstoffzellenstapel12 gelieferte Luftstromrate anzeigt. - Wenn das Brennstoffzellenantriebssystem
10 relativ kalten Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels12 niedriger als seine Sollbetriebstemperaturen für optimalen Stromversorgungsbetrieb werden. Wenn die von dem Temperatursensor28 erfasste Temperatur unter einem Schwellenwert liegt, schließt das Steuergerät26 zumindest eines der Luftstromventile20 ,22 teilweise, um die effektive Durchflussfläche durch eines oder beide Ventile zu verringern. Der Schwellenwert kann zum Beispiel jeder geeignete Wert unter der Sollbetriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels12 sein. Das Verringern der effektiven Durchflussfläche eines oder beider Ventile20 ,22 pflegt den Druck des Luftstroms zwischen dem Verdichter und den Ventilen20 ,22 anzuheben und den Durchsatz zu senken. Um das Liefern von Luft bei einem erhöhten Druck und einem verringerten Durchsatz zu dem Brennstoffzellenstapel12 zu vermeiden, liefert das Steuergerät26 auch ein Signal zum Verdichtermotor16 , um dessen Drehzahl anzuheben. Auf diese Weise benötigt der Verdichter14 mehr Energie, um die gleiche Menge an Luft zum Brennstoffzellenstapel12 zu liefern. - Da der Verdichter
14 Leistung von dem Brennstoffzellenstapel12 abzieht, muss der Stapel zusätzliche Leistung zum Betreiben des Verdichters bei dessen erhöhter Drehzahl und erhöhtem Druckverhältnis liefern. Da der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels12 während eines Betriebs bei kalter Temperatur niedrig sein kann, wird von dem Stapel12 zusätzliche Abwärme erzeugt, um extra Leistung für den Verdichtermotor16 zu erzeugen. Demgemäß trägt die von dem Stapel12 erzeugte Abwärme zu einer erhöhten Erwärmungsrate des Stapels12 und einem anschließenden effizienteren Betrieb des Brennstoffzellensystems10 bei. Wie zum Beispiel in2 gezeigt wird, können bei gleichzeitigem Bleiben unter der Pumpgrenze40 erheblich höhere Druckverhältnisse verwendet werden. Bei einem korrigierten Massendurchsatz von 70 g/s könnte der Verdichter14 in einer Ausführung mit etwa 3,5 kW Leistung arbeiten und eine abgegebene Lufttemperatur von etwa 13°C unter den normalen Betriebsbedingungen haben, wie durch den Diagrammpunkt42 vermerkt ist. Der Verdichter kann mit etwa 11,63 kW Leistung und einer abgegebenen Lufttemperatur von etwa 46°C arbeiten, wenn der Luftstrom gedrosselt wird und das Verdichterdruckverhältnis angehoben wird, wie durch Diagrammpunkt44 gezeigt wird. Demgemäß benötigt der Verdichter14 in einer beispielhaften Ausführung über 8 Kilowatt (kW) zusätzliche Leistung, um verglichen mit dem Fall, da sich die Luftstromventile20 ,22 in ihrer normalen Stellung für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems10 befinden, die gleiche Konzentration an Sauerstoff durch die gedrosselten oder teilweise geschlossenen Luftstromventile20 ,22 und den Brennstoffzellenstapel12 zu schieben. Und der Stapel12 erzeugt einen vermehrten Betrag an Abwärme, um die extra Leistung für den Verdichtermotor16 zu erzeugen. - Wie vorstehend erwähnt sehen die erhöhte Verdichterdrehzahl und der erhöhte Leistungsverbrauch eine höhere Temperatur der aus dem Verdichter
14 ausgestoßenen Luft vor. Diese wärmere Luft tritt durch den Luftkühler18 und trägt dazu bei, den Luftkühler18 und jedes Kühlfluid darin zu erwärmen. Das erwärmte Fluid kann durch den Brennstoffzellenstapel12 umgewälzt werden, um diesen zu erwärmen. Der Brennstoffzellenstapel12 wird bei Zufuhr des Luftstroms erhöhter Temperatur zu diesem weiter erwärmt. In dem in2 gezeigten Beispiel kann das System so gesteuert werden, dass über 8 kW zusätzliche Leistung erforderlich sein kann, um verglichen mit der Leistungsanforderung ohne Herunterdrosseln der Ventile20 ,22 den Verdichtermotor16 zum Zuführen der gleichen oder ähnlichen Masse an Luft zu dem Brennstoffzellenstapel12 während einer Inbetriebnahme anzutreiben. In diesem Beispiel können von den 8 kW zum Antreiben des Motors etwa 70% davon, oder etwa 5,6 kW, in den Luftstrom gehen. - Das Steuersystem
25 kann ein Vorwärtskopplungsmodell zum Berechnen der Stellung bzw. relativen Drosselung von Luftstrom der Luftstromventile20 ,22 nutzen, um das Verdichterdruckverhältnis während des Kaltstartbetriebs oder des Betriebs bei kalter Temperatur zu maximieren. Bei manchen Ausführungen kann die Stellung der Ventile20 ,22 als Funktion eines ermittelten oder erwünschten Druckverhältnisses des Verdichtermotors16 gesteuert werden. Ein Verdichterdrucksensor46 könnte ebenfalls verwendet werden, um eine Rückführungsregelung der Stellung der Luftstromventile beruhend auf dem Druck an dem Auslass und/oder über dem Verdichter vorzusehen, um die Sollstellung der Ventile zu ermitteln. Durch Maximieren oder Anheben des Verdichterdruckverhältnisses können die zum Betreiben des Verdichtermotors16 erforderliche zusätzliche Energiemenge und dadurch die von dem Brennstoffzellenstapel12 benötigte Menge zusätzlicher Energie sowie ein entsprechender Anstieg der Temperatur der aus dem Verdichter14 ausgestoßenen Luft gesteuert werden, um ein Aufwärmen des Brennstoffzellenantriebssystems10 zu erleichtern. Um den Luftstrom zum Brennstoffzellenstapel12 im Allgemeinen konstant oder innerhalb eines Sollbereichs zu halten, wird der Verdichtermotor16 bevorzugt mit einer Regelung im geschlossenen Kreis mit Rückführung an dem Luftstromsensor30 betrieben, so dass die Verdichterdrehzahl automatisch angehoben wird, um das teilweise Schließen der Luftstromventile20 ,22 auszugleichen. Da die gesamte effektive Fläche der beiden Luftstromventile20 ,22 das Druckverhältnis des Verdichters14 bestimmt, kann der Verdichterregelkreis auch unabhängig von RH-Steuerungen sein. - Demgemäß kann durch Drosseln der Ventile
20 ,22 zwischen dem Verdichter14 und dem Brennstoffzellenstapel12 und dann Anheben der Leistung des Verdichters14 , so dass der Brennstoffzellenstapel12 einen Sollluftstrom (z. B. ein als Funktion einer ermittelten Luftstromrate gesteuerter Durchsatz) erhält, zusätzliche Energie von dem Stapel12 abgezogen werden, um den Verdichter14 anzutreiben, und kann dem Stapel12 in Form eines Luftstroms erhöhter Temperatur zugeführt werden. Dies verbessert die Kaltstartleistung und den Betrieb bei kalter Temperatur des Brennstoffzellensystems10 und hebt die Rate an, bei der die Temperatur des Brennstoffzellenantriebssystems angehoben wird, um dadurch die Zeit des Brennstoffzellenstapelbetriebs bei niedriger Temperatur zu senken. - Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit werden Abänderungen derselben nicht als Abweichen vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung betrachtet. Als nicht einschränkendes Beispiel kann das Verstärken der Drosselung des ausgestoßenen Luftstroms des Verdichters auf andere Weise als teilweises Verschließen eines oder mehrerer Ventile verwirklicht werden, zum Beispiel durch Leiten des Luftstroms als Ganzes oder zum Teil durch einen anderen Pfad, wenn der gedrosselte Luftstrom erwünscht ist. Natürlich können nach Bedarf noch andere Auslegungen genutzt werden.
Claims (17)
- Verfahren zum Betreiben eines eine Brennstoffzelle und einen Verdichter umfassenden Brennstoffzellensystems, das der Brennstoffzelle Luft liefert, wobei das Verfahren umfasst: Erfassen einer Temperatur, die die Temperatur einer Brennstoffzelle anzeigt; Vorsehen einer Drosselung in einem Luftströmpfad von dem Verdichter zu der Brennstoffzelle, wenn die erfasste Temperatur unter einem Schwellenwert liegt; und Anheben der Drehzahl des Verdichters, um einen Sollluftstrom zu der Brennstoffzelle vorzusehen.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem auch einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle angeordneten Durchflussregler umfasst und das Vorsehen einer Drosselung in dem Luftströmpfad durch den Durchflussregler verwirklicht wird.
- Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Durchflussregler ein Ventil umfasst, das eine verstellbare Drosselung des Luftströmpfads vorsieht, die die Querschnittfläche verringert, durch die Luft strömen kann.
- Verfahren nach Anspruch 3, das auch das Erfassen des Drucks über dem Verdichter und das Steuern der Drosselung als Funktion eines ermittelten Druckverhältnisses des Verdichters umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, das auch das Erfassen des Durchsatzes von Luft an der Brennstoffzelle und das Steuern der Leistung des Verdichters als Funktion einer ermittelten Luftstromrate umfasst.
- Brennstoffzellensystem umfassend: mindestens eine Brennstoffzelle; einen Verdichter mit einem mit der Brennstoffzelle in Verbindung stehenden Ausgang, um einen Zwangsluftstrom zur Brennstoffzelle vorzusehen; mindestens einen zwischen dem Verdichterausgang und der Brennstoffzelle angeordneten Durchflussregler, durch den die Zwangsluft von dem Verdichter zur Brennstoffzelle strömt, wobei der Durchflussregler eine verstellbare Drosselung der Fläche, durch die Luft strömen kann, vorsieht; einen dafür ausgelegten Luftstromsensor, ein Signal vorzusehen, das den Durchsatz von Luft zu der Brennstoffzelle anzeigt; einen dafür ausgelegten Temperatursensor, ein Signal vorzusehen, das mindestens eines von Umgebungstemperatur oder einer Temperatur der Brennstoffzelle anzeigt; und ein mit dem Luftstromsensor, dem Temperatursensor, dem Verdichter und dem Durchflussregler in Verbindung stehendes Steuersystem, wobei das Steuersystem dem Durchflussregler ein Signal liefert, um die Drosselung von Luftstrom durch den Durchflussregler zu verstärken, wenn der Temperatursensor ein Signal vorsieht, das eine Temperatur unter einem Schwellenwert anzeigt, und das Steuersystem ein Signal zum Steuern des Verdichterbetriebs vorsieht, um der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Luftstrom rate zu liefern, selbst wenn der Durchflussregler die Fläche, durch die Luft strömen kann, verringert.
- System nach Anspruch 6, wobei die Brennstoffzelle mit dem Verdichter in Verbindung steht, um dem Verdichter Leistung zum Unterstützen des Betriebs des Verdichters zu liefern.
- System nach Anspruch 7, wobei, wenn der Durchflussregler eine verringerte Fläche zum Durchströmen von Luft vorsieht, das Steuersystem den Verdichter veranlasst, einen Ausgangsdurchsatz mit einem höheren Druckverhältnis vorzusehen, was den Leistungsabzug des Verdichters von der Brennstoffzelle erhöht.
- System nach Anspruch 8, wobei, wenn der Verdichter einen Ausgangsdurchsatz mit einem höheren Druckverhältnis vorsieht, die Temperatur der aus dem Verdichter ausgestoßenen Luft angehoben wird.
- System nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Durchflussregler zwei parallel zueinander angeordnete Ventile und einen Befeuchter, der zwischen einem der beiden Ventile und der Brennstoffzelle angeordnet ist, zum Steuern der Befeuchtung der Luft umfasst, die dadurch und zu der Brennstoffzelle strömt.
- System nach Anspruch 6, wobei das Steuersystem Vorwärtsregelung nutzt, um die von dem mindestens einen Durchflussregler vorgesehene Drosselung zu steuern.
- System nach Anspruch 11, wobei das Steuersystem das Verdichterdruckverhältnis durch Steuern des Luftstroms durch den mindestens einen Durchflussregler maximiert.
- System nach Anspruch 6, das auch einen Drucksensor umfasst, der ein Signal liefert, das den Ausgangsdrucks des Verdichters anzeigt, wobei der Drucksensor mit dem Steuersystem in Verbindung steht.
- System nach Anspruch 9, das auch einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle angeordneten Luftkühler umfasst und wobei die aus dem Verdichter ausgestoßene erhöhte Lufttemperatur durch den Luftkühler strömt und Wärme zu einem durch den Luftkühler strömenden Fluid übertragen wird.
- Verfahren umfassend: Antreiben eines Verdichters mit einer Brennstoffzelle zum Vorsehen eines Luftstroms zu der Brennstoffzelle; Erfassen einer Temperatur, die die Temperatur der Brennstoffzelle anzeigt; Vorsehen einer Drosselung in einem Luftströmpfad von dem Verdichter zu der Brennstoffzelle, wenn die erfasste Temperatur unter einem Schwellenwert liegt; Steigern der Leistungsabgabe des Verdichters durch Vorsehen zusätzlicher Leistung von der Brennstoffzelle zu dem Verdichter, um der Brennstoffzelle einen Sollluftdurchsatz zu liefern
- Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Drosseln das Verringern der effektiven Strömungsfläche eines zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle angeordneten Ventils umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 15, das auch das Erfassen des Drucks über dem Verdichter und das Steuern der Drosselung von Luftstrom zur Brennstoffzelle als Funktion des Drucks über dem Verdichter umfasst.
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