DE102008031969A1 - Steuerverfahren für den Betrieb von kalten Brennstoffzellensystemen - Google Patents

Steuerverfahren für den Betrieb von kalten Brennstoffzellensystemen Download PDF

Info

Publication number
DE102008031969A1
DE102008031969A1 DE102008031969A DE102008031969A DE102008031969A1 DE 102008031969 A1 DE102008031969 A1 DE 102008031969A1 DE 102008031969 A DE102008031969 A DE 102008031969A DE 102008031969 A DE102008031969 A DE 102008031969A DE 102008031969 A1 DE102008031969 A1 DE 102008031969A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
compressor
air
flow
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102008031969A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102008031969B4 (de
Inventor
Matthew C. Kirklin
Prem C. Menon
Bruce J. Clingerman
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of DE102008031969A1 publication Critical patent/DE102008031969A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102008031969B4 publication Critical patent/DE102008031969B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines eine Brennstoffzelle und einen Verdichter umfassenden Brennstoffzellensystems, das der Brennstoffzelle Luft liefert. Das Verfahren umfasst das Erfassen einer Temperatur, die die Temperatur der 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 zur Brennstoffzelle vorzusehen. In mindestens einigen Ausführungen steigert das Anheben der Drehzahl des Verdichters die von der Brennstoffzelle abgezogene Leistung zum Antreiben des Verdichters und trägt dazu bei, die Wärme der Brennstoffzelle anzuheben. Die erhöhte Drehzahl des Verdichters kann auch zu einem wärmeren Luftstrom von dem Verdichter führen, der die Temperatur der Systemkomponenten weiter anheben kann.

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 Brennstoffzellenantriebssystem 10, wie es in einer Fahrzeuganwendung eingesetzt werden kann. Die Brennstoffzellenarchitektur und ihre Steuerungen können von beliebiger herkömmlicher oder nachstehend entwickelter Form sein. In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellenantriebssystem 10 mindestens eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel 12. Ein Verdichter 14 ist vorgesehen und wird von einem Elektromotor 16 angetrieben. Der Verdichter 14 sieht einen Zwangsluftstrom zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 vor, und dieser Zwangsluftstrom kann in einem Befeuchter 32 befeuchtet werden, und sein Druck kann durch einen Druckregler oder durch Regelung seines Motors unter Verwendung eines geeigneten Drucksensors 46 gesteuert werden. Der Zwangsluftstrom kann dem Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Luftkühler 18 geliefert werden, der zum Senken der Temperatur der unerwünscht erwärmten Luft ausgelegt ist, so dass der Luftstrom zur Brennstoffzelle 12 innerhalb eines erwünschten Temperaturbereichs für den Betrieb der Brennstoffzelle liegt. Es können ein oder mehrere verstellbare Durchflussbegrenzer, beispielsweise Strömungssteuerventile 20, 22, zwischen dem Verdichterausgang und dem Brennstoffzellenstapel 12 angeordnet sein, um den Durchsatz des Luftstroms zu dem Stapel 12 zu steuern. In einer Ausführungsform ist das Strömungssteuerventil 22 in einer Umgehungsleitung 21 um den Befeuchter 32 vorgesehen.
  • In der gezeigten Ausführungsform gibt es zwei Strömungssteuerventile 20, 22, wobei ein Ventil 20 mit dem anderen Ventil 20 und dem Kathodenbefeuchter 32 parallel verbunden ist. Demgemäß strömt ein Teil des ausgestoßenen Luftstroms von dem Verdichter 14 durch ein Ventil 20 und dann durch den Kathodenbefeuchter 32, während ein separater Teil durch den Kathodenbefeuchter 32 strömt und durch das zweite Ventil 22 strömt. In der gezeigten Ausführungsform laufen die geteilten Luftströme stromabwärts des Kathodenbefeuchters 32 zusammen und werden dem Brennstoffzellenstapel in einer einzigen Leitung 24 zugeführt, wenngleich andere Anordnungen genutzt werden können.
  • In einer Ausführung kann das Steuersystem 25 ein oder mehrere Steuergeräte 26 umfassen, die mit dem Verdichter 14, dem Brennstoffzellenstapel 12, den Strömungssteuerventilen 20, 22 und mit einem oder mehreren Sensoren wirkverbunden sind, um mindestens gewisse Gesichtspunkte des Betriebs des Brennstoffzellenantriebssystems zu steuern. Das Steuergerät 26 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 Brennstoffzellenantriebssystem 10 verwendet werden kann, umfasst einen Temperatursensor 28, der dem Steuergerät 26 ein Signal liefert, das die Temperatur der in den Brennstoffzellenstapel 12 eindringenden Luft oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 selbst oder die Umgebungstemperatur oder eine Kombination derselben anzeigt. Ein anderer beispielhafter Sensor kann einen Luftstromsensor 30 umfassen, der dem Steuergerät 26 ein Signal liefert, das die von dem Verdichter 14 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gelieferte Luftstromrate anzeigt.
  • Wenn das Brennstoffzellenantriebssystem 10 relativ kalten Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 niedriger als seine Sollbetriebstemperaturen für optimalen Stromversorgungsbetrieb werden. Wenn die von dem Temperatursensor 28 erfasste Temperatur unter einem Schwellenwert liegt, schließt das Steuergerät 26 zumindest eines der Luftstromventile 20, 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 Brennstoffzellenstapels 12 sein. Das Verringern der effektiven Durchflussfläche eines oder beider Ventile 20, 22 pflegt den Druck des Luftstroms zwischen dem Verdichter und den Ventilen 20, 22 anzuheben und den Durchsatz zu senken. Um das Liefern von Luft bei einem erhöhten Druck und einem verringerten Durchsatz zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu vermeiden, liefert das Steuergerät 26 auch ein Signal zum Verdichtermotor 16, um dessen Drehzahl anzuheben. Auf diese Weise benötigt der Verdichter 14 mehr Energie, um die gleiche Menge an Luft zum Brennstoffzellenstapel 12 zu liefern.
  • Da der Verdichter 14 Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 abzieht, muss der Stapel zusätzliche Leistung zum Betreiben des Verdichters bei dessen erhöhter Drehzahl und erhöhtem Druckverhältnis liefern. Da der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 12 während eines Betriebs bei kalter Temperatur niedrig sein kann, wird von dem Stapel 12 zusätzliche Abwärme erzeugt, um extra Leistung für den Verdichtermotor 16 zu erzeugen. Demgemäß trägt die von dem Stapel 12 erzeugte Abwärme zu einer erhöhten Erwärmungsrate des Stapels 12 und einem anschließenden effizienteren Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bei. Wie zum Beispiel in 2 gezeigt wird, können bei gleichzeitigem Bleiben unter der Pumpgrenze 40 erheblich höhere Druckverhältnisse verwendet werden. Bei einem korrigierten Massendurchsatz von 70 g/s könnte der Verdichter 14 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 Diagrammpunkt 42 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 Diagrammpunkt 44 gezeigt wird. Demgemäß benötigt der Verdichter 14 in einer beispielhaften Ausführung über 8 Kilowatt (kW) zusätzliche Leistung, um verglichen mit dem Fall, da sich die Luftstromventile 20, 22 in ihrer normalen Stellung für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 befinden, die gleiche Konzentration an Sauerstoff durch die gedrosselten oder teilweise geschlossenen Luftstromventile 20, 22 und den Brennstoffzellenstapel 12 zu schieben. Und der Stapel 12 erzeugt einen vermehrten Betrag an Abwärme, um die extra Leistung für den Verdichtermotor 16 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 Luftkühler 18 und trägt dazu bei, den Luftkühler 18 und jedes Kühlfluid darin zu erwärmen. Das erwärmte Fluid kann durch den Brennstoffzellenstapel 12 umgewälzt werden, um diesen zu erwärmen. Der Brennstoffzellenstapel 12 wird bei Zufuhr des Luftstroms erhöhter Temperatur zu diesem weiter erwärmt. In dem in 2 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 Ventile 20, 22 den Verdichtermotor 16 zum Zuführen der gleichen oder ähnlichen Masse an Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 12 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 Luftstromventile 20, 22 nutzen, um das Verdichterdruckverhältnis während des Kaltstartbetriebs oder des Betriebs bei kalter Temperatur zu maximieren. Bei manchen Ausführungen kann die Stellung der Ventile 20, 22 als Funktion eines ermittelten oder erwünschten Druckverhältnisses des Verdichtermotors 16 gesteuert werden. Ein Verdichterdrucksensor 46 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 Verdichtermotors 16 erforderliche zusätzliche Energiemenge und dadurch die von dem Brennstoffzellenstapel 12 benötigte Menge zusätzlicher Energie sowie ein entsprechender Anstieg der Temperatur der aus dem Verdichter 14 ausgestoßenen Luft gesteuert werden, um ein Aufwärmen des Brennstoffzellenantriebssystems 10 zu erleichtern. Um den Luftstrom zum Brennstoffzellenstapel 12 im Allgemeinen konstant oder innerhalb eines Sollbereichs zu halten, wird der Verdichtermotor 16 bevorzugt mit einer Regelung im geschlossenen Kreis mit Rückführung an dem Luftstromsensor 30 betrieben, so dass die Verdichterdrehzahl automatisch angehoben wird, um das teilweise Schließen der Luftstromventile 20, 22 auszugleichen. Da die gesamte effektive Fläche der beiden Luftstromventile 20, 22 das Druckverhältnis des Verdichters 14 bestimmt, kann der Verdichterregelkreis auch unabhängig von RH-Steuerungen sein.
  • Demgemäß kann durch Drosseln der Ventile 20, 22 zwischen dem Verdichter 14 und dem Brennstoffzellenstapel 12 und dann Anheben der Leistung des Verdichters 14, so dass der Brennstoffzellenstapel 12 einen Sollluftstrom (z. B. ein als Funktion einer ermittelten Luftstromrate gesteuerter Durchsatz) erhält, zusätzliche Energie von dem Stapel 12 abgezogen werden, um den Verdichter 14 anzutreiben, und kann dem Stapel 12 in Form eines Luftstroms erhöhter Temperatur zugeführt werden. Dies verbessert die Kaltstartleistung und den Betrieb bei kalter Temperatur des Brennstoffzellensystems 10 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)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. System nach Anspruch 6, wobei das Steuersystem Vorwärtsregelung nutzt, um die von dem mindestens einen Durchflussregler vorgesehene Drosselung zu steuern.
  12. System nach Anspruch 11, wobei das Steuersystem das Verdichterdruckverhältnis durch Steuern des Luftstroms durch den mindestens einen Durchflussregler maximiert.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Drosseln das Verringern der effektiven Strömungsfläche eines zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzelle angeordneten Ventils umfasst.
  17. 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.
DE102008031969.4A 2007-07-09 2008-07-07 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie entsprechend angepasstes Brennstoffzellensystem Active DE102008031969B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/774,738 2007-07-09
US11/774,738 US8192881B2 (en) 2007-07-09 2007-07-09 Control method for cold fuel cell system operation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102008031969A1 true DE102008031969A1 (de) 2009-01-29
DE102008031969B4 DE102008031969B4 (de) 2020-04-23

Family

ID=40157580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102008031969.4A Active DE102008031969B4 (de) 2007-07-09 2008-07-07 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie entsprechend angepasstes Brennstoffzellensystem

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8192881B2 (de)
CN (1) CN101345320B (de)
DE (1) DE102008031969B4 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016091555A1 (de) * 2014-12-11 2016-06-16 Volkswagen Ag Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und brennstoffzellensystem
DE102007033429B4 (de) 2007-07-18 2022-07-14 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle in einer Startphase

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011119666A1 (de) * 2011-11-29 2013-05-29 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
US9190675B2 (en) * 2012-05-07 2015-11-17 GM Global Technology Operations LLC Humid stream orifice via geometry and material that is robust to becoming blocked
CN103401004A (zh) * 2013-07-11 2013-11-20 西南交通大学 空冷燃料电池系统及其耦合热控制方法
EP3054516B1 (de) * 2013-10-01 2017-11-08 Nissan Motor Co., Ltd Brennstoffzellensystem
US10347928B2 (en) * 2016-05-19 2019-07-09 Ford Global Technologies, Llc Air control system and method for fuel cell stack system
FR3101482B1 (fr) * 2019-09-27 2022-07-29 Airbus Système de piles à combustible pour un aéronef
CN114583211B (zh) * 2020-11-30 2023-08-25 宇通客车股份有限公司 一种燃料电池系统及燃料电池系统低温启动方法
JP7441877B2 (ja) 2022-03-29 2024-03-01 本田技研工業株式会社 燃料電池システム

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6394207B1 (en) * 2000-02-16 2002-05-28 General Motors Corporation Thermal management of fuel cell powered vehicles
JP4843147B2 (ja) * 2000-05-30 2011-12-21 本田技研工業株式会社 燃料電池暖機システム
DE10137847B4 (de) * 2001-08-02 2019-06-06 General Motors Llc ( N. D. Ges. D. Staates Delaware ) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Temperaturen im Gefrierbereich von Wasser auftreten können sowie Brennstoffzellensystem
DE10329041A1 (de) 2003-06-27 2005-01-20 Audi Ag Verfahren zum Vorwärmen mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, und entsprechendes Brennstoffzellensystem
JP5038646B2 (ja) * 2006-03-31 2012-10-03 本田技研工業株式会社 燃料電池自動車

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007033429B4 (de) 2007-07-18 2022-07-14 Cellcentric Gmbh & Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle in einer Startphase
WO2016091555A1 (de) * 2014-12-11 2016-06-16 Volkswagen Ag Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und brennstoffzellensystem
DE102014225589A1 (de) * 2014-12-11 2016-06-16 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
CN101345320B (zh) 2011-11-16
US8192881B2 (en) 2012-06-05
DE102008031969B4 (de) 2020-04-23
CN101345320A (zh) 2009-01-14
US20090017340A1 (en) 2009-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008031969A1 (de) Steuerverfahren für den Betrieb von kalten Brennstoffzellensystemen
EP2499690B1 (de) Temperierungsverfahren und batteriesystem
WO2005024206A1 (de) Kraftwerksanlage, und verfahren zum betrieb
DE112015003129T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren für ein Steuern eines Brennstoffzellensystems
DE102015117333B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112005000265T5 (de) Kühlvorrichtung und Kühlverfahren für eine Brennstoffzelle
DE102009024897A1 (de) Dreiwege-Umleitanordnung für ein Brennstoffzellensystem
EP1192351A2 (de) Kraftstoffzuführvorrichtung für einen verbrennungsmotor
DE102008052700A1 (de) Kraftstoffzufuhrvorrichtung
WO2021004715A1 (de) Brennstoffzellensystem mit luftgekühlter verdichter/turbinen-einheit und verfahren
DE102020127634A1 (de) Wärmemanagementsystem für brennstoffzellenfahrzeuge mit mehreren brennstoffzellenstapeln
EP2645018A2 (de) Kühl- und/oder Gefriergerät
DE112006003142T5 (de) Brennstoffzellsystem und dessen Betriebsunterbrechungsverfahren
DE102007063009B4 (de) Verfahren zur Belüftung von Objekten und Vorrichtung zur Belüftung von Objekten, insbesondere raumlufttechnische Anlage
DE102013102879B4 (de) Kompressor mit Anpassung der Gaseintrittstemperatur und Verfahren zum Betreiben dieses Kompressors
WO2020044259A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems für ein kraftfahrzeug
DE102008032156B4 (de) Verfahren zur Temperaturregelung in einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage
EP2275748B1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Heizungsanlage sowie Heizungsanlage
DE102007033429A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle in einer Startphase
WO2009010113A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum aufwärmen einer brennstoffzelle in einer startphase
EP2080651A1 (de) Fahrzeugtemperiersystem und Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugtemperiersystems
DE1671992B2 (de) Galvanische batterie mit mehreren zellen
DE102012205623B4 (de) Brennstoffbetriebenes Heizgerät und Verfahren zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Heizgeräts
DE102017214317A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP2795133B1 (de) Anordnung mit speicherelement und wärmeversorgungsanlage

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8180 Miscellaneous part 1

Free format text: PFANDRECHT

8180 Miscellaneous part 1

Free format text: PFANDRECHT AUFGEHOBEN

8180 Miscellaneous part 1

Free format text: PFANDRECHT

8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS LLC , ( N. D. , US

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS LLC (N. D. GES, US

Free format text: FORMER OWNER: GM GLOBAL TECHNOLOGY OPERATIONS, INC., DETROIT, MICH., US

Effective date: 20110323

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040140

Ipc: H01M0008040890

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008040890

R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R020 Patent grant now final