DE102009005647B4

DE102009005647B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchtigkeit eines Brennstoffzellensystem-Kathodeneinlasses

Info

Publication number: DE102009005647B4
Application number: DE102009005647.5A
Authority: DE
Inventors: Victor W. Logan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2029-01-23
Also published as: CN101494292B; US20090191432A1; CN101494292A; US7846590B2; DE102009005647A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, welches umfasst:
einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass;
eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) mit einem Nasseinlasskanal und einem Trockenauslasskanal, wobei der Nasseinlasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass steht und der Trockenauslasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass steht;
ein Ventil mit einem oberstromigen Einlass und einem unterstromigen Auslass, wobei der oberstromige Einlass in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass und dem Nasseinlasskanal steht und dazwischen angeordnet ist, wobei das Ventil derart ausgebildet ist, um selektiv ein Fluid, welches aus dem Brennstoffzellenstapel über den Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in den Nasseinlasskanal eintritt; und
einen Controller, welcher derart ausgebildet ist, um
einen Zielwert für eine Betriebseigenschaft eines Fluids zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt,
einen gemessenen Wert für ein Fluid zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt,
eine gewünschte WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu ermitteln,
eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads zu ermitteln,
eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate zu ermitteln,
eine Ventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Ventilmodells und des gemessenen Wertes für das Fluid zu ermitteln, und
die ermittelte Ventilposition zu verwenden, um das Ventil derart zu beeinflussen, um das Fluid, welches aus dem Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert der Betriebseigenschaft im Wesentlichen dem Zielwert der Betriebseigenschaft entspricht.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und im Spezielleren ein System und ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit oder des Taupunktes des Kathodenzuflusses eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen werden als eine Leistungsquelle für elektrische Fahrzeuge, stationäre Leistungsversorgungen und weitere Anwendungen verwendet. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran(„PEM”)-Brennstoffzelle, welche eine Vielzahl von Membran/Elektroden-Anordnungen („MEAs”) umfasst. Eine MEA umfasst einen dünnen, festen Polymermembranelektrolyten mit einer Anode auf einer Fläche und einer Kathode auf der gegenüberliegenden Fläche und ist zwischen einem Paar von elektrisch leitfähigen Kontaktelementen angeordnet, welche als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode dienen. Die Abnehmer enthalten typischerweise geeignete Kanäle und Öffnungen, um die gasförmigen Reaktanden (z. B. Wasserstoff/H₂ und Sauerstoff/O₂) der Brennstoffzelle über den Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.
PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der MEAs in elektrischer Reihe (kollektiv als ein Stapel bezeichnet), während sie von der nächsten durch ein undurchlässiges, elektrisch leitfähiges Kontaktelement getrennt sind, welches als eine bipolare Platte oder Stromabnehmer bekannt ist.
Die Brennstoffzellen werden auf eine Weise betrieben, welche die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Die Kathoden- und/oder Anodenreaktandengase, welche der Brennstoffzelle zugeführt werden, sind typischerweise befeuchtet, um ein Austrocknen der MEAs an den Stellen in der Nähe der Reaktandengaseinlässe zu verhindern. Der Grad der Feuchtigkeit der MEAs beeinflusst die Leistung der Brennstoffzelle. Außerdem kann, wenn eine MEA zu trocken läuft, die MEA beschädigt werden, was zu einem unmittelbaren Versagen oder einer Verringerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle führen kann.
Der Betrieb der Brennstoffzellen, wenn die MEAs zu sehr befeuchtetet sind, kann jedoch ebenfalls die Leistung des Brennstoffzellenstapels einschränken. Insbesondere die Bildung von flüssigem Wasser kann die Diffusion von Gas zu den MEAs behindern und dadurch deren Leistung einschränken. Flüssiges Wasser kann auch als eine Strömungsblockade wirken, welche die Zellenströmung reduziert und eine noch höhere relative Brennstoffzellenfeuchtigkeit verursacht, die zu einer instabilen Brennstoffzellenleistung führen kann. Überdies kann die Bildung von flüssigem Wasser innerhalb einer Zelle beträchtlichen Schaden verursachen, wenn die Brennstoffzelle ausgeschaltet ist und Frostbedingungen ausgesetzt ist. Das heißt, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist und die Temperatur in der Brennstoffzelle unter den Gefrierpunkt abfällt, wird das flüssige Wasser darin gefrieren und sich ausdehnen und möglicherweise die Brennstoffzelle beschädigen.
In den Druckschriften DE 10 2006 058 834 A1 und DE 10 2006 058 833 A1 sind Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Betrieb von Brennstoffzellensystem beschrieben.
Zusammenfassung
Die Erfindung sieht ein System vor, bei dem ein Kathodenabfluss selektiv um eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) herum abgezweigt wird, um so die relative Feuchtigkeit (oder den Taupunkt) des Kathodeneinlasses des Systems bei oder im Wesentlichen bei einer festgelegten relativen Feuchtigkeit bzw. relativen Zielfeuchtigkeit (oder Taupunkt) zu halten. In einer Ausführungsform kann die (der) gemessene relative Feuchtigkeit (oder Taupunkt) des Kathodeneinlasses verwendet werden, um die Menge des um die WVTD herum abgezweigten Kathodenabflusses zu steuern. In einer weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Membranleitfähigkeit verwendet werden, um die Menge des um die WVTD herum abgezweigten Kathodenabflusses zu steuern. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Kathodenabfluss abgezweigt werden, ohne auf eine/n gemessene/n relative Feuchtigkeit, Taupunkt oder Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeit zurückzugreifen oder darauf angewiesen zu sein. In diesem letztgenannten Ansatz wird der festgelegte Betriebsparameter (z. B. die relative Feuchtigkeit oder der Taupunkt des Kathodeneinlasses) als in einem offenen Regelkreis gesteuert bezeichnet.
In weiteren Ausführungsformen kann ein Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit einem Verfahren gesteuert werden, welches ein WVTD-Umgehungsventil derart beeinflusst, um die relative Feuchtigkeit (oder den Taupunkt) des Kathodeneinlasses des Systems aufrechtzuerhalten. Die Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung können teilweise durch einen Controller implementiert sein, welcher Programmanweisungen ausführt. Solche Anweisungen können auf einem beliebigen Medium gespeichert sein, welches durch den Controller lesbar und ausführbar ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in Blockdiagrammform ein partielles Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt in Flussdiagrammform ein Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung mm Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Kathodeneinlassgases für ein System wie das in 1 veranschaulichte.
3 zeigt in Flussdiagrammform ein weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Kathodeneinlassgases für ein System wie das in 1 veranschaulichte.
4 zeigt in Flussdiagrammform ein noch weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Kathodeneinlassgases für ein System wie das in 1 veranschaulichte.
Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung wird präsentiert, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung wie beansprucht, herzustellen und zu verwenden, und ist im Kontext mit den speziellen nachfolgend erläuterten Beispielen vorgesehen, wobei Varianten davon für den Fachmann ohne weiteres offensichtlich sein werden. Im Spezielleren sind illustrative Ausführungsformen der Erfindung im Hinblick auf Brennstoffzellenstapel beschrieben, welche gasförmigen Wasserstoff (H₂) als einen Brennstoff, gasförmigen Sauerstoff (O₂) als ein Oxidationsmittel in Form von Luft (ein Gemisch aus O₂ und Stickstoff N₂) und Protonenaustausch- oder Polymerelektrolytmembran(„PEM”)-Elektrodenanordnungen („MEAs”) verwenden. Die beigefügten Ansprüche sollen jedoch nicht durch die offenbarten Ausführungsformen begrenzt sein, sondern sind in ihrem weitest möglichen Umfang in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Prinzipien auszulegen.
Im Allgemeinen verwendet ein Brennstoffzellenstapel, welcher in Übereinstimmung mit der Erfindung betrieben wird, eine Kombination aus Sensoreingangs- und Komponentenmodellen, um Kathodenabfluss verarbeitende Komponenten steuerbar zu umgehen, um die relative Feuchtigkeit (RH) des Kathodeneinlasses des Stapels aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Kathodengaszufluss-RH in Kombination mit einem Eingang von einem Kathodengaszufluss-RH-Sensor gesteuert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Kathodengaszufluss-RH in Kombination mit einer Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeitsmessung (anstelle eines Kathodengaszufluss-RH-Sensors) gesteuert sein. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Kathodengaszufluss-RH ohne Eingang von entweder einem Kathodengaszufluss-RH-Sensor oder einer Brennstoffzellenstapelmembran-Leitfähigkeitsmessung gesteuert sein. Es wird einzusehen sein, dass die Bezugnahme hierin auf die RH funktionell dem Taupunkt äquivalent ist. Das bedeutet, die erfindungsgemäße Steuermethodik ist gleichermaßen auf Brennstoffzellenstapelbetriebe auf der Basis der relativen Feuchtigkeit oder des Taupunktes der Kathode anwendbar.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein illustratives Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffzellenstapel 105, der, wenn er in Betrieb ist, einer Last 110 Leistung zuführt. Eine Wasserstoffzufuhr 115 ist an den Stapel 105 über eine Anodenzuflussleitung 120 bereitgestellt, wobei der Anodenabfluss über eine Leitung 125 von dem Stapel 105 wegtransportiert wird. Sauerstoff oder sauerstoffreiche Luft 130 wird über eine Leitung 135 dem Trockeneinlasskanal einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) 140 zugeführt. Befeuchtete, sauerstoffreiche Luft wird dem Stapel 105 von dem Trockenauslasskanal der WVTD 140 durch eine Kathodenzuflussleitung 145 zugeführt. Der Kathodenabfluss (über eine Leitung 150) ist steuerbar zwischen einem Nasseinlasskanal (über eine Leitung 155) der WVTD 140 und einem Nassauslasskanal (über eine Leitung 160) der WVTD 140 durch ein WVTD-Umgehungsventil (165) aufgeteilt. Das Umgehungsventil 165 wiederum ist über einen Controller 170 gesteuert, welcher verschiedene Sensoreingänge 175 (z. B. Stapelstrom und Kathodenluftströmung) empfängt. In Übereinstimmung mit der Erfindung beeinflusst der Controller 170 das Umgehungsventil 165 derart, um die Kathodenzufluss-RH unabhängig von den Kathodenzufluss- und/oder -abflusstemperaturen wie im Stand der Technik zu steuern. In einer Ausführungsform kann der Controller 170 ein Proportional-Integral-Differential(PID)-Controller (kontinuierlich, diskret oder fuzzy) sein, welcher eine Rückmeldung von einem Sensor für die relative Feuchtigkeit oder den Taupunkt des Kathodeneinlasses verwendet. In einer weiteren Ausführungsform kann der Controller 170 ein PID-Controller (kontinuierlich, diskret oder fuzzy) sein, welcher eine Rückmeldung von einem/r Stapelmembran-Leitfähigkeitssensor oder -messung verwendet. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Controller 170 ein Controller sein, welcher in einem offenen Regelkreis, d. h. ohne Rückmeldung, läuft.
Unter Bezugnahme auf 2 kann in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem 100 über einen Prozess 200 gesteuert sein. In dieser Ausführungsform werden eine Kathodeneinlass-RH 205, ein Stapelstrom und eine Kathodenluftströmung 210 und der Stapeleinlass-RH-Sollwert 215 gemessen oder bereitgestellt. Zum Beispiel kann die Kathodeneinlass-RH 205 durch einen beliebigen geeigneten Sensor (z. B. einen Sensor für die relative Feuchtigkeit oder den Taupunkt) gemessen werden. Gleichermaßen sind der Stapelstrom und die Kathodenluftströmung 210 typischerweise gemessene Größen. Der Sollwert 215 für die relative Feuchtigkeit des Stapeleinlasses wiederum ist allgemein ein empirisch ermittelter Wert auf der Basis der physikalischen Konfiguration des Stapels 105.
Unter Verwendung des/r gemessenen Stapelstromes und Kathodenluftströmung (210) und des Stapeleinlass-RH-Sollwertes (215) kann die gewünschte Wasserübertragungsrate über die WVTD 140 hinweg ermittelt werden (Block 220). Für Details siehe ANHANG A. Es wird einzusehen sein, dass die Menge von Wasser, die über die WVTD 140 hinweg übertragen wird, von der Position des Umgehungsventils 165 abhängt und dadurch gesteuert ist. Dies ist die „Variable”, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung beeinflusst wird, um die (den) Kathodenzufluss-RH (oder -taupunkt) bei einem gewünschten Wert zu halten. Dies wiederum hat den verbesserten Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 zur Folge.
Die/der gewünschte WVTD-Übertragungsrate (Block 220 Ausgang) und WVTD-Wirkungsgrad (Block 225) können verwendet werden, um die gewünschte WVTD-Einlasswasserströmungsrate zu ermitteln (Block 130). Für Details bezüglich des WVTD-Wirkungsgrades siehe ANHANG B. Die gewünschte WVTD-Einlasswasserströmungsrate kann in Übereinstimmung mit ANHANG C bestimmt werden.
Wenn die WVTD-Wasserübertragungsrate (Block 220 Ausgang), die gewünschte Wassereinlassströmungsrate (Block 230 Ausgang) und die Kathodenausgangsströmungsrate (Block 235) bekannt sind, kann die gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate ermittelt werden (Block 240). Die Kathodenausgangsströmungsrate 235 kann in Übereinstimmung mit Massenbilanztechniken gemessen oder ermittelt werden, wie in der gemeinsam in Besitz befindlichen Patentanmeldung mit dem Titel „Fuel Cell System Relative Humidity Control” von Victor Logan, eingereicht am 17. Mai 2005, Seriennummer 11/130 806, beschrieben, welche hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Die gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate 240 kann in Übereinstimmung mit ANHANG D ermittelt werden.
Die gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate (ANHANG D) und ein Modell des Umgehungsventils 165 (ANHANG E) können verwendet werden, um einen Umgehungsventil-Vorspannwert zu ermitteln; siehe ANHANG F. Der ermittelte Umgehungsventil-Vorspannwert kann dem Controller 170 zugeführt werden, der wiederum ein Ventilsteuersignal erzeugt, welches das Umgehungsventil 165 in Übereinstimmung damit beeinflusst, um die gewünschte relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu erzielen. In einer Ausführungsform verwendet der Controller 170 den ermittelten Umgehungsventil-Vorspannwert (Block 250), um einen Ventilpositionswert aus einer Tabelle abzurufen. In einer weiteren Ausführungsform verwendet der Controller 170 den Umgehungsventil-Vorspannwert, um dynamisch ein Umgehungsventil-Positionssignal zu berechnen. In jedem Fall verwendet der Controller 170 den Umgehungsventil-Vorspannwert, um ein Signal zum Steuern der Position des Umgehungsventils 165 zu erzeugen. Im Ergebnis wird die Menge von Fluid gesteuert, welche die WVTD 140 umgeht, und infolgedessen wird die gewünschte Kathodeneinlass-RH erreicht.
Unter Bezugnahme auf 3 kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem 100 in Übereinstimmung mit einem Prozess 300 betrieben werden. Hier wird die Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeit gemessen 305 und mit einem Membranleitfähigkeitssollwert 310 verglichen. Die Differenz zwischen diesen beiden Größen wird dem Controller 170 auf dieselbe Weise geliefert wie die Differenz zwischen der gemessenen Kathodeneinlass-RH 205 und dem Kathodeneinlass-RH-Sollwert 215 im Prozess 200 (2). In einer Ausführungsform kann die Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeit gemessen werden, indem ein Strom mit einer Störfrequenz (z. B. 1 kHz) durch den Stapel geschickt und sein Widerstand gemessen wird. Dieser Prozess kann periodisch oder kontinuierlich erfolgen. Ähnlich wie der Kathodeneinlass-RH-Sollwert wird der Membranleitfähigkeits-Sollwert empirisch ermittelt und ist unter anderem von dem physikalischen Aufbau des Stapels 105 abhängig.
Unter Bezugnahme auf 4 kann in einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem 100 über einen offenen Regelkreisprozess 400 gesteuert werden. In dieser Ausführungsform ist keine Kathodeneinlass-RH (oder Taupunkt)- oder Stapelmembran-Leitfähigkeitsmessung verfügbar, auf der ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gebildet werden kann. Während das Betriebsverhalten des Steuerprozesses 400 mit offenem Regelkreis eine geringere Stabilität oder größere Abweichungen von der gewünschten Kathodeneinlass-RH zur Folge haben kann als die Methodiken 200 und 300 mit geschlossenem Regelkreis, ist sie dennoch eine praktikable Technik, um die Kathodeneinlass-RH zu steuern.
Wie hierin beschrieben, beruhen die Prozesse 200, 300 und 400 auf einer Kombination aus Sensoreingangs- und Komponentenmodellen, um das Ventil 165 derart zu beeinflussen, dass der Kathodenabfluss aus dem Stapel 105 die WVTD 140 selektiv umgeht. Das Umgehungsventil 165 wird auf diese Weise beeinflusst, um eine/n gewünschte/n Kathodeneinlass-RH oder -taupunkt zu beschaffen oder aufrechtzuerhalten. Es wird einzusehen sein, dass während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 100 schwankende Umweltbedingungen (z. B. Änderungen des/der Umgebungsdruckes, -temperatur und -feuchtigkeit), schwankende Betriebsbedingungen (z. B. Änderungen des Lastbedarfs), Sensor-Tagesverfassungen und dergleichen bewirken können, dass sich die Kathodeneinlass-RH verändert, sodass zu jedem gegebenen Zeitpunkt die tatsächliche Kathodeneinlass-RH von der gewünschten Kathodeneinlass-RH verschieden sein kann. Als eine Folge davon kann der Controller 170 gegebenenfalls nur eine wesentliche Übereinstimmung zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Kathodeneinlass-RH erreichen. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „wesentlich”, dass die tatsächliche Kathodeneinlass-RH und die gewünschte Kathodeneinlass-RH nahe genug beieinander liegen, dass ein Fachmann das Brennstoffzellensystem 100 als bei der gewünschten Kathodeneinlass-RH arbeitend betrachten würde.
Verschiedene Änderungen in den Materialien und Komponenten wie auch in den Details der veranschaulichten Betriebsverfahren sind möglich, ohne von dem Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel kann das illustrative Brennstoffzellensystem von Fig. 100 zusätzliche Komponenten wie z. B. Anodenströmungspfad-Verarbeitungskomponenten, zusätzliche Sensoren und ein Kühlmittel-Untersystem umfassen. Darüber hinaus können die verschiedenen Parameter, die von jedem der Prozesse 200, 300 und 400 verwendet werden, auf jede von dem Planer gewünschte Weise beschafft, ermittelt oder berechnet werden. Zum Beispiel kann der Controller 170 als eine Hardwarevorrichtung in Übereinstimmung mit herkömmlichen Steuerdesignprinzipien ausgeführt sein. Der Controller 170 kann auch derart ausgeführt sein, dass er eine programmierbare Steuervorrichtung umfasst, welche Anweisungen ausführt, die in einem oder mehreren Programmmodulen organisiert sind. Eine programmierbare Steuervorrichtung kann ein einzelner Computerprozessor, ein spezieller Prozessor (z. B. ein digitaler Signalprozessor „DSP”), eine Vielzahl von Prozessoren, die über eine Kommunikationsverbindung gekoppelt sind, oder ein kundenspezifischer Zustandsautomat sein. Kundenspezifische Zustandsautomaten können in einer Hardwarevorrichtung wie z. B. einem integrierten Schaltkreis enthalten sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise („ASICs”) oder ein anwenderprogrammierbares Gate-Array („FPGA”). Speichervorrichtungen, welche geeignet sind, um konkrete Programmanweisungen zu enthalten, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: Magnetplatten (fest, floppy und entfernbar) und Bänder; optische Medien wie z. B. CD-ROMs und digitale Videoplatten („DVDs”); und Halbleiter-Speichervorrichtungen wie z. B. einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher („EPROM”), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher („EEPROM”), programmierbare Gate-Arrays und Flash-Vorrichtungen.
ANHANG A. Die gewünschte Wasserübertragungsrate über die WVTD 140 hinweg soll durch n'_{H₂O-desired} repräsentiert sein (wobei die Notation x' die zeitliche Ableitung von x repräsentiert). Dann ist bei einer/m gegebenen oder gewünschten relativen Zielfeuchtigkeit oder -taupunkt des Kathodeneinlasses die gewünschte Rate der Wasserübertragung über die WVTD 140 hinweg – das heißt die Wasserübertragungsrate von dem WVTD-Nasseinlasskanal (d. h. Leitung 155) in den WVTD-Trockeneinlasskanal (d. h. Leitung 135), welche dann zurück zu dem Kathodeneinlass (d. h. Leitung 145) des Stapels 105 weitergeleitet wird – gegeben durch:
Hier repräsentiert P_tot den gemessenen Druck an dem Stapelkathodeneinlass (auf Grund der kombinierten Partialdrücke des Sauerstoffs, Stickstoffs und „weiterer” Gase der Einlassluft); P_sat repräsentiert den Sättigungsdruck, der dem gewünschten Stapel-RH-Sollwert 215 zugehörig ist, ein Wert, welcher einfach aus dem Stapel-RH(oder -taupunkt)-Sollwert 215 ermittelt wird; und n'_dry-in repräsentiert die gemessene molare Strömungsrate des Trockengases, welches in den WVTD-Trockeneinlasskanal gelangt (z. B. von der sauerstoffreichen Zufuhr 130 über die Leitung 135).
ANHANG B. Der WVTD-Wirkungsgrad (ε) ist allgemein definiert als: ε = Water Transferred into Dry Stream / Water in Wet Stream GL. B1
Hier ist: „Water in Wet Stream” der Massendurchsatz des Nasszustromes in den Nasseinlasskanal (über Leitung 155) der WVTD 140; „Water Transferred into Dry Stream” ist der Massendurchsatz des Wassers, welches in den Trockenzustrom (über Leitung 135) der WVTD 140 von dem Nasseinlass-Zustrom (über Leitung 155) der WVTD 140 in den Trockenseitenauslass-Zustrom (d. h. den WVTD-Trockenauslasskanal über Leitung 145) der WVTD 140 übertragen wird.
C_min soll die Fähigkeit repräsentieren Wasser in die Nassseite der WVTD 140 (d. h. den Trockenmassendurchsatz in den Trockeneinlasskanal der WVTD 140 über Leitung 155 zu bringen; C_max soll die Fähigkeit repräsentieren, Wasser aus der Trockenseite der WVTD 140 zu transportieren (d. h. den Trockenmassendurchsatz durch die WVTD 140 von Leitung 135 zu Leitung 145); A repräsentiert die Wasserübertragungsfläche der WVTD 140 (eine Größe die fest und für eine gegebene WVTD bekannt ist); und U repräsentiert den Massenübertragungskoeffizienten für die WVTD 140 (proportional der Durchlässigkeit der WVTD 140) – wobei die Anzahl der WVTD-Übertragungseinheiten gegeben ist durch:
Der WVTD-Wirkungsgrad nimmt die Form an:
Hier ist τ eine Funktion von C_min/C_max. Es wird einzusehen sein, dass im Allgemeinen C_max gemessen wird, C_min die gesteuerte Variable in dem System 100 (über Steuerung/Beeinflussung des Umgehungsventils 165) ist und τ aus einer Nachschlagetabelle stammt – die Werte werden experimentell ermittelt.
ANHANG C. Durch Umformen von GL. B1 ergibt sich: Water In Wet Streamdesired = Water Transfered into Dry Stream / ε GL. C1
Die Umwandlung von Gl. C1 im Hinblick auf die Massendurchsätze ergibt:
n'_{H₂O-desired} durch GL. A1 gegeben ist, ε durch GL. B3 gegeben ist und n'_{wet-in desired} das Ergebnis von Block 230 repräsentiert.
ANHANG D. In der Erkenntnis, dass die Wasserübertragungsströmungsrate über die WVTD 140 plus der Wasserauslassströmungsrate der WVTD 140 der Wassereingangsströmungsrate in die WVTD 140 entspricht, und wenn der Molenbruch des Wassers aus dem Stapel 105 bekannt ist (mithilfe eines oder mehrerer Sensoren und/oder Modelle ermittelt), so kann die gewünschte Nassseiteneinlass-Strömungsrate für die WVTD 140 wie folgt ermittelt werden:
[H₂O]_cathode-out den Molenbruch von Wasser aus der Kathode des Stapels 105 heraus repräsentiert.
Die Erkenntnis, dass, um die gewünschte Kathodeneinlass-RH zu erzielen, die Kathodenauslassströmungsrate der WVTD 140 n'_cathode-out (über Leitung 150) der gewünschten Strömungsrate in die WVTD 140, n'_{wet-in desired} (über Leitung 155) plus der Strömungsrate durch das Umgehungsventil 165 n'_bypass entspricht, ergibt: n'_bypass = n'_{cathode out} – n'_{wet-in desired} GL. D2
ANHANG E. Aus der Gleichung von Darcy folgt:
Hier repräsentiert F_{bypass-desired} die gewünschte Strömungsrate durch das Umgehungsventil 165 in 7,9 × 10^–6 m³/s; F_P repräsentiert den Rohrleitungsfaktor des Systems 100 und insbesondere für die Leitungen in das und aus dem Umgehungsventil 165; C_bypass repräsentiert den – Strömungskoeffizienten des Umgehungsventils in 6,3 × 10^–5 m³ Wasser pro Sekunde bei 15,6°C und 6.894,8 N/m³ Differenzdruck; P_bypass-in repräsentiert den Einlass- oder oberstromigen Druck an dem Umgehungsventil 165 in 6.894,8 N/m³ Absolutdruck; Y repräsentiert den Ausdehnungsfaktor der relevanten Gase (d. h. O₂, N₂ und H₂O); x repräsentiert das Druckabnahmeverhältnis über das Umgehungsventil 165 hinweg (siehe unten); S_g repräsentiert das spezifische Gewicht des Gases durch das Umgehungsventil 165; T_bypass-in repräsentiert die Temperatur an dem Einlass des Umgehungsventils 165 in °C × 0,8; und Z repräsentiert den Kompressibilitätsfaktor der Gase durch das Umgehungsventil 165.
Wenn die Umgehungsventileinlass- und -auslassrohrleitung entsprechend dimensioniert ist, beträgt der Rohrleitungsfaktor F_p ungefähr 1. Wie hierin verwendet, bedeutet „entsprechend dimensioniert”, dass die Druckabnahme über das Rohr hinweg viel kleiner ist als die Druckabnahme über das Umgehungsventil 165 hinweg. Gleichermaßen ist für die Drücke und Temperaturen, die für ein Brennstoffzellensystem mit gasförmigem Wasserstoff und Luft relevant sind (z. B. von ca. Umgebungsbedingungen bis 350 kN/m³ und –40°C bis 35°C), der Kompressibilitätsfaktor Z ungefähr gleich 1.
Der Ausdehnungsfaktor Y ist gegeben durch:
F_k das Verhältnis des spezifischen Wärmefaktors für die relevanten Gase (d. h. O₂, N₂ und H₂O) repräsentiert und x_t das Druckabnahmeverhältnis über das Umgehungsventil 165 hinweg ist. Der Wert x_t ist für eine Ventilgeometrie spezifisch und kann empirisch ermittelt werden. Hingegen ist F_k = k / 1,4, wobei GL. E3
k das Verhältnis der spezifischen Wärmen für O₂, N₂ und H₂O repräsentiert.
Für die Drücke, welche für ein Brennstoffzellensystem mit gasförmigem Wasserstoff und Luft relevant sind, entspricht k ungefähr 1,39 und infolgedessen ist F_k ungefähr gleich 1.
Das Druckabnahmeverhältnis x ist gegeben durch:
P_bypass-out den Auslass- oder unterstromigen Druck an dem Umgehungsventil 165 in 6.894,8 N/m³ repräsentiert.
Wie hierin verwendet, entspricht das spezifische Gewicht eines Gases dem Molekulargewicht des Gases geteilt durch das Molekulargewicht der Luft, wobei das Molekulargewicht des Gases die gewichtete Summe der Molekulargewichte der Gasbestandteile des Gases ist. Demgemäß ist das spezifische Gewicht des Kathodenabflusses (und daher des Umgehungsventilzuflusses) S_g:
wobei mf_x den Molenbruch von x in dem Zielgas repräsentiert, mw_x das Molekulargewicht von x repräsentiert und (z)_air das z der Luft repräsentiert. Für die Drücke und die Temperaturen in Bezug auf das Brennstoffzellensystem 100 (siehe oben) ist S_g ungefähr 1. In einer Ausführungsform wird S_g durch den Controller 170 konstant geschätzt und liegt für die Art von Brennstoffzellensystem, die hierin beschrieben ist, üblicherweise zwischen 0,9 und 1,0.
GL. E1 (und ihre unterstützenden Gleichungen G12 bis G15 bilden ein Modell des Umgehungsventils 165.
ANHANG F. Durch Umformen von GL. E1 für C_bypass (Umgehungsventil-Vorspannwert) ergibt sich:
Durch Substituieren in den für das Brennstoffzellensystem 100 relevanten Annäherungen, die in ANHANG E angeführt sind, ergibt sich:
Der Vollständigkeit halber wird angemerkt, dass in dem Fall, in dem x > F_kx_t (siehe ANHANG E) gilt, F_kx_t in jedem der folgenden zwei Fälle durch x ersetzt werden kann:
In GL. F2 sind P_bypass-in, x, T_bypass-in und S_g gemessene Größen (oder direkt aus gemessenen Größen ermittelt); x_t ist für eine gegebene Umgehungsventilposition fest; und F_{bypass-desired} wird in Übereinstimmung mit GL. D2 ermittelt.
Wie in ANHANG B angeführt, wird C_max gemessen, C_min ist die gesteuerte Variable in dem System 100 (über Steuerung/Beeinflussung des Umgehungsventils 165) und τ stammt aus einer Nachschlagetabelle – die Werte werden experimentell ermittelt.

Claims

Brennstoffzellensystem, welches umfasst: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass; eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) mit einem Nasseinlasskanal und einem Trockenauslasskanal, wobei der Nasseinlasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass steht und der Trockenauslasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass steht; ein Ventil mit einem oberstromigen Einlass und einem unterstromigen Auslass, wobei der oberstromige Einlass in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass und dem Nasseinlasskanal steht und dazwischen angeordnet ist, wobei das Ventil derart ausgebildet ist, um selektiv ein Fluid, welches aus dem Brennstoffzellenstapel über den Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in den Nasseinlasskanal eintritt; und einen Controller, welcher derart ausgebildet ist, um einen Zielwert für eine Betriebseigenschaft eines Fluids zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt, einen gemessenen Wert für ein Fluid zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt, eine gewünschte WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu ermitteln, eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads zu ermitteln, eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate zu ermitteln, eine Ventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Ventilmodells und des gemessenen Wertes für das Fluid zu ermitteln, und die ermittelte Ventilposition zu verwenden, um das Ventil derart zu beeinflussen, um das Fluid, welches aus dem Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert der Betriebseigenschaft im Wesentlichen dem Zielwert der Betriebseigenschaft entspricht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel derart ausgebildet ist, um gasförmigen Wasserstoff als einen Brennstoff zu verwenden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfübertragungsvorrichtung ferner einen Trockeneinlasskanal umfasst und die Wasserdampfübertragungsvorrichtung derart ausgebildet ist, um Wasser von einem Fluid, welches in den Nasseinlasskanal eintritt, zu einem Fluid zu übertragen, welches in den Trockeneinlasskanal eintritt, und dasselbe zu dem Trockenauslasskanal weiterzuleiten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Trockeneinlasskanal in Fluidverbindung mit einer Quelle eines gasförmigen Oxidationsmittels steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das gasförmige Oxidationsmittel eine gasförmige Zufuhr von Sauerstoff umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die gasförmige Zufuhr von Sauerstoff Luft umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller einen Proportional-Integral-Differential-Controller umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der Proportional-Integral-Differential-Controller einen diskreten Proportional-Integral-Differential-Controller umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft eine relative Feuchtigkeit umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft einen Taupunkt umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft eine Brennstoffzellenstapelmembran-Leitfähigkeit umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft eine NULL-Eigenschaft umfasst, sodass der Controller derart ausgebildet ist, um in einem Modus mit offenem Regelkreis zu arbeiten.
Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahren, welches umfasst, dass: für ein Fluid, welches in einen Kathodeneinlass eines Brennstoffzellensystems eintritt, ein Zielwert für einen festgelegten Betriebsparameter empfangen wird; für das Fluid, welches in den Kathodeneinlass des Brennstoffzellensystems eintritt, ein gemessener Wert des festgelegten Betriebsparameters empfangen wird; eine gewünschte Wasserübertragungsströmungsrate für eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses ermittelt wird; eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads ermittelt wird, eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate ermittelt wird; eine Umgehungsventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Umgehungsventilmodells und des gemessenen Wertes des Betriebsparameters ermittelt wird; und die ermittelte Umgehungsventilposition verwendet wird, um ein Umgehungsventil derart zu beeinflussen, um ein Fluid, welches aus einem Kathodenauslass des Brennstoffzellensystems austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert des Betriebsparameters im Wesentlichen dem Zielwert des Betriebsparameters entspricht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betriebsparameter eine relative Feuchtigkeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betriebsparameter einen Taupunkt umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betriebsparameter eine Membranleitfähigkeit des Brennstoffzellenstapels umfasst.