DE102009050938B4

DE102009050938B4 - Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102009050938B4
Application number: DE102009050938.0A
Authority: DE
Inventors: Matthew C. Kirklin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: US8623564B2; DE102009050938A1; CN101728556B; CN101728556A; US20100112386A1

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: bestimmt wird, dass eine Luftströmungsmessvorrichtung, die die Luftströmung zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels misst, ausgefallen ist; primäre Luftströmungsregelungsalgorithmen in Ansprechen auf den detektierten Ausfall außer Betrieb gesetzt werden; ein Kathodenaustragsventil in eine offene Position versetzt wird; und die Drehzahl eines Kompressors, der die Kathodenluftströmung für den Stapel bereitstellt, unter Verwendung einer Steuerung gesteuert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel in dem Fall eines Ausfalls eines Strömungsmessers des Kathodeneingangs und insbesondere ein Verfahren zum Steuern der Strömung von Kathodeneingangsluft zu einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem in dem Falle, dass ein Strömungsmesser zum Messen der Luftströmung ausfällt, indem eine Steuerung (engl.: open-loop control) eines Kompressors bereitgestellt wird.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus.
Für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist ein richtiges Messen und Regeln der Luftströmung zu der Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels kritisch. Wenn zu viel Luft an den Stapel geliefert wird, wird Energie verschwendet und die Brennstoffzellen in dem Stapel können zu trocken werden, wodurch deren Haltbarkeit beeinträchtigt wird. Zu wenig an den Stapel gelieferte Luft kann aufgrund eines Sauerstoffmangels in einer Brennstoffzelleninstabilität resultieren. Daher verwenden Brennstoffzellensysteme typischerweise einen Luftströmungs- bzw. Luftmengenmesser in der Kathodeneingangsleitung, um eine genaue Messung der Luftströmung zu dem Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Wenn der Luftströmungsmesser ausfällt, ist es typischerweise notwendig geworden, das Brennstoffzellensystem abzuschalten, da aufgrund dessen, dass die Menge an Luft, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist, dies eine nachteilige Wirkung auf Systemkomponenten besitzen könnte.
Um die Zuverlässigkeit eines Brennstoffzellensystems zu steigern, ist es erwünscht, den Betrieb des Systems in dem Fall fortzusetzen, dass die primäre Kathodenluftströmungsmessvorrichtung ausfällt, und ein akzeptables Leistungsniveau aufrechtzuerhalten, ohne eine Langzeitschädigung an dem System oder den Stapelkomponenten zu bewirken. Ein Steuerverfahren für eine Brennstoffzelle findet sich beispielsweise in der Schrift US 2004/0159147 A1 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der Drehzahl eines Kompressors in einem Brennstoffzellensystem in dem Fall offenbart, dass ein Luftströmungsmesser, der die Luftströmung von dem Kompressor zu dem Kathodeneingang des Stapels misst, ausfällt. Wenn ein Ausfall des Luftströmungsmessers detektiert wird, deaktiviert ein Algorithmus zuerst die primären Regelungsalgorithmen (engl.: ”feedback control algorithms”), die dazu verwendet werden, einen Kathodendruck und eine Kathodenströmung zu regeln, und versetzt das Kathodenaustragsventil in eine vollständig offene Position. Anschließend wird die Drehzahl des Kompressors durch einen Steuerungs-Sollwert gesteuert und die Luftströmung von dem Kompressor wird durch ein Modell, das einen Kompressoraustrittsdruck und die Kompressordrehzahl verwendet, geschätzt. Die Position des Kathodenbypassventils wird durch Berechnen der Differenz zwischen der angeforderten Kathodenluftströmung und der modellierten Kompressorausgangsströmung berechnet. Die Position des Bypassventils wird dann unter Verwendung der Ventilcharakteristiken und des Kompressoraustrittsdrucks eingestellt. Die geschätzte Luftströmung zu dem Stapel wird dazu verwendet, den maximalen Stapelstrom zu steuern.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Prozess zum Steuern der Drehzahl eines Kathodeneingangskompressors in dem Fall eines Ausfalls eines Luftströmungsmessers verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ist ein Flussdiagramm, das den Prozess zum Steuern der Drehzahl des Kompressors in Ansprechen auf einen Ausfall des Luftströmungsmessers zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Kathodenluftkompressors in Ansprechen auf einen Ausfall eines Luftströmungsmessers gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch einen durch einen Motor 16 betriebenen Kompressor 14 auf, der eine Luftströmung an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 18 bereitstellt. Ein Temperatursensor 20 misst die Temperatur der Kathodeneingangsluft in den Stapel 12, und ein RF-Sensor 22 misst die relative Feuchte der Kathodeneingangsluft in den Stapel 12. Die Feuchte der Kathodeneingangsluft wird durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit 24 bereitgestellt, die ein Kathodenabgas auf einer Kathodenaustragsleitung 26 aufnimmt, das typischerweise eine Feuchte von 100% oder mehr besitzt. Wasser und Wasserdampf von dem Kathodenabgas werden in der WVT-Einheit 24 dazu verwendet, die Kathodeneingangsluft zu befeuchten, die an die Eingangsleitung 18 bereitgestellt wird. Ein Drucksensor 48 in der Kathodenaustragsleitung 26 misst den Druck der Kathodenseite des Stapels 12. Das Kathodenabgas wird von der WVT-Einheit 24 auf einer Systemausgangsleitung 28 ausgegeben und durch ein Kathodenabgasventil 30 geregelt. Für diejenigen Zeiten, in denen es nicht erwünscht ist, die Kathodeneingangsluft zu befeuchten, kann die Kathodeneingangsluft um die WVT-Einheit 24 herum auf einer Bypassleitung 32 durch ein Bypassventil 34 geführt werden.
Die Kathodeneingangsluft von dem Kompressor 14 wird an einen Wärmetauscher 36 geliefert, der die Temperatur der Kathodeneingangsluft infolge ihrer Kompression durch den Kompressor 14 reduziert. Zusätzlich kann der Wärmetauscher 36 Wärme an die Kathodeneingangsluft während bestimmter Zeiten bereitstellen, wie beim Kaltstart, um den Brennstoffzellenstapel 12 schneller zu erwärmen. Ein Drucksensor 50 an dem Ausgang des Kompressors 14 misst den Austrittsdruck des Kompressors 14. Die Kathodeneingangsluft von dem Wärmetauscher 36 wird durch eine Luftströmungsmessvorrichtung 38 geliefert, wie einen Massenstrommesser, die die Strömung der Kathodeneingangsluft zu dem Stapel 12 misst. Wie es dem Fachmann gut bekannt ist, muss die Strömung der Kathodeneingangsluft zu dem Stapel 12 straff geregelt werden, um die richtige Kathodenstöchiometrie bereitzustellen, so dass nicht zu viel Luft an den Stapel 12 geliefert wird, was eine nachteilige Trocknungswirkung auf die Membranen innerhalb der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 besitzen könnte, oder zu wenig Luft, was eine Brennstoffzelleninstabilität infolge eines Sauerstoffmangels bewirken könnte. Ein Temperatursensor 40 misst die Temperatur der Kathodeneingangsluftströmung, um den Wärmetauscher 36 zu regeln, und ein Ventil 42 regelt die Menge an Kathodenluft, die in die WVT-Einheit 24 strömt oder die WVT-Einheit 24 auf der Bypassleitung 32 umgeht.
Die Luftströmung von dem Kompressor 14 zu der Kathodenseite des Stapels 12 wird auf Grundlage der Stapelstromanforderung und des Stapeldrucks geregelt. Typischerweise ist es nicht möglich, den Kompressor 14 so abstimmen zu können, dass die exakte Luftmenge für die gewünschte Kathodenstöchiometrie bereitgestellt wird. Daher wird ein Kathodenbypassventil 44 bereitgestellt, das die Menge an Kathodeneingangsluft proportional regelt, die den Stapel 12 umgeht oder zu dem Stapel 12 durch den Wärmetauscher 26 strömt. Die Kathodenluft, die den Stapel 12 umgeht, strömt durch eine Bypassleitung 46 und direkt zu der Systemausgangsleitung 28.
Wie oben diskutiert ist, ist es notwendig, die Menge an Kathodenluftströmung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 für den richtigen Stapelbetrieb zu kennen. Daher ist es, wenn die Luftströmungsmessvorrichtung 38 ausfällt, erwünscht, eine Ausweichlösung zu haben, mit der die Luftströmung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 bestimmt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung deaktiviert in dem Falle eines Ausfalls der Luftströmungsmessvorrichtung 38 ein Algorithmus zuerst die primären Regelungsalgorithmen, die dazu verwendet werden, den Druck und die Strömung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zu regeln, und versetzt das Kathodenabgasventil 30 in eine vollständig offene Position. Auch wird die Drehzahl des Kompressors 14 durch einen Steuerungs-Sollwert für eine bestimmte Stapelleistungsanforderung von einer Nachschlagetabelle eingestellt, und die Luftströmung von dem Kompressor 14 wird durch ein Modell, das den Kompressoraustrittsdruck und die Kompressordrehzahl verwendet, geschätzt. Die Position des Bypassventils 44 wird durch Berechnen der Differenz zwischen der angeforderten Kompressorströmung von dem Steuerungs-Sollwert und der modellierten Kompressorausgangsströmung bestimmt. Die Position des Ventils 44 wird unter Verwendung der Ventilcharakteristiken und des Kompressoraustrittsdrucks eingestellt. Die resultierende geschätzte Stapelluftströmung zu dem Stapel wird dazu verwendet, den maximalen Stapelstrom zu steuern.
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Steuern der Luftströmung zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 in dem Fall eines Ausfalls der Luftströmungsmessvorrichtung 38 zeigt, wie oben diskutiert ist. Der Luftströmungsregelungsalgorithmus detektiert bei Kasten 62 einen Ausfall der Luftströmungsmessvorrichtung und setzt dann bei Kasten 64 die primären Luftströmungsregelungsalgorithmen außer Betrieb. Der Algorithmus setzt dann bei Kasten 66 das Kathodenaustragsventil 30 in seine vollständig geöffnete Position. Der Algorithmus bestimmt dann bei Kasten 68 eine Leistungsanforderung von dem Stapel 12. Auf Grundlage dieser Leistungsanforderung steuert der Algorithmus bei Kasten 70 die Drehzahl des Kompressors 14 unter Verwendung eines Steuerungs-Sollwerts und einer Nachschlagetabelle. Da die Luftströmung zu dem Stapel 12 von dem Kathodendruck abhängt, ist die Steuerung (engl.: open-loop control) des Kompressors 14 eine Kombination der Drehzahl des Kompressors 14 und des Austrittsdrucks des Kompressors 14. Daher schätzt oder modelliert der Steueralgorithmus bei Kasten 72 die Kompressorströmung auf Grundlage der Drehzahl des Kompressors 14 und des Austrittsdrucks, um eine genauere Ablesung der Luftströmung zu erreichen. Wenn die Strömung größer ist als diejenige, die für die Leistungsanforderung notwendig ist, kann die Luftströmung unter Verwendung des Kathodenbypassventils 44 durch Öffnen des Ventils 44 bei Kasten 74 auf Grundlage der Ventilcharakteristiken abgestimmt werden, um die Strömung zu dem Stapel 12 zu reduzieren. Eine Reduzierung der Strömung zu dem Stapel 12 kann Anwendung für Leerlaufdrehzahlen besitzen.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Luftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: bestimmt wird, dass eine Luftströmungsmessvorrichtung, die die Luftströmung zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels misst, ausgefallen ist; primäre Luftströmungsregelungsalgorithmen in Ansprechen auf den detektierten Ausfall außer Betrieb gesetzt werden; ein Kathodenaustragsventil in eine offene Position versetzt wird; und die Drehzahl eines Kompressors, der die Kathodenluftströmung für den Stapel bereitstellt, unter Verwendung einer Steuerung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern der Drehzahl des Kompressors umfasst, dass eine vorbestimmte Drehzahl des Kompressors für die Leistungsanforderung bestimmt wird, die Luftströmung zu dem Brennstoffzellenstapel auf Grundlage der Drehzahl des Kompressors und eines Austrittsdrucks des Kompressors geschätzt wird und ein Kathodenbypassventil gesteuert wird, um die Kathodenluftströmung zu reduzieren, wenn die geschätzte Strömung für die Leistungsanforderung zu hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Steuern des Kathodenbypassventils umfasst, dass die Differenz zwischen der Kompressorluftströmung von der vorbestimmten Drehzahl und der geschätzten Luftströmung berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Steuern des Kathodenbypassventils umfasst, dass Ventilcharakteristiken bestimmt werden, um zu bestimmen, wie weit das Bypassventil geöffnet oder geschlossen werden soll.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Bestimmen einer vorbestimmten Drehzahl des Kompressors für die Leistungsanforderung umfasst, dass eine Nachschlagetabelle verwendet wird, um die Drehzahl des Kompressors zu bestimmen, und/oder wobei der Austrittsdruck des Kompressors durch einen Drucksensor an dem Ausgang des Kompressors gemessen wird, und/oder wobei die Luftströmungsmessvorrichtung ein Luftmassenmesser ist.