DE102011114214A1

DE102011114214A1 - Verfahren zum auftauen von gefrorenem kühlmittel in einem brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102011114214A1
Application number: DE102011114214A
Authority: DE
Inventors: Joseph D. Rainville; Joseph C. Gerzseny; Aaron Rogahn; Matthew C. Kirklin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2031-09-24
Also published as: US20120082914A1; CN102447123A; DE102011114214B4; US8877397B2

Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Temperatur eines Kühlfluides, das zur Steuerung der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels bei einer Systemfrostinbetriebnahme verwendet wird. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen, dass das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist, und wenn dies der Fall ist, ein Deaktivieren von übermäßiger Leistungsentnahme an dem Brennstoffzellenstapel, um Stapelabwärme zu minimieren, und ein Aktivieren einer Kühlfluidheizung, um das Kühlfluid zu erwärmen. Sobald bestimmt ist, dass das Kühlfluid nicht gefroren ist oder strömt, leitet der Algorithmus dann eine normale Systeminbetriebnahme ein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Erhöhen der Temperatur eines Kühlfluides, das durch einen Brennstoffzellenstapel in ein Brennstoffzellensystem strömt, und insbesondere ein Verfahren zum Erhöhen der Temperatur eines gefrorenen oder nahezu gefrorenen Kühlfluides, das einen Brennstoffzellenstapel kühlt, bei Systemfrostinbetriebnahme, das ein Beschränken einer Stapelabwärme durch Verhindern einer übermäßigen Leistungsentnahme von dem Stapel und ein Erwärmen des Kühlfluides umfasst, das durch den Kühlkreislauf außerhalb des Brennstoffzellenstapels strömt.
2. Diskussion 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 Wasserstoff-Brennstoffzelle 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 Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen 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 auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. 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 durch serielle Kopplung 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 Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor 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 Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen den. zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten 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 bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Wie oben erwähnt ist, weist ein Brennstoffzellenstapel Kühlfluidströmungskanäle typischerweise in den Stapel-Bipolarplatten auf, die ein Kühlfluid aufnehmen, das die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf einem gewünschten Niveau beibehält. Das Kühlfluid wird durch den Stapel und einen externen Kühlmittelkreislauf außerhalb des Stapels durch eine Hochtemperaturpumpe gepumpt, wobei ein Kühler typischerweise das Kühlfluid kühlt, wenn es den Stapel verlässt. Temperatursensoren sind typischerweise in dem Kühlmittelkreislauf außerhalb des Brennstoffzellenstapels vorgesehen, um die Temperatur des Kühlfluides zu überwachen, wenn es den Stapel verlässt und in diesen eintritt, um eine enge Steuerung der Stapeltemperatur aufrechtzuerhalten. Das Kühlfluid ist typischerweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol, das verbesserte Wärmeentfernungseigenschaften bereitstellt und die Gefriertemperatur des Kühlfluides reduziert.
Trotz der Niedertemperatureigenschaften des Kühlfluides ist herausgefunden worden, dass unter gewissen Niedertemperaturbedingungen das Kühlfluid schmierig wird und möglicherweise fest gefriert. Wenn das Fahrzeug oder das Brennstoffzellensystem unter diesen Bedingungen gestartet wird, kann das Kühlfluid nicht durch die Strömungskanäle in dem Stapel und den Kühlmittelkreislauf außerhalb des Stapels strömen. Wenn das Kühlfluid schmierig ist, können kleine Kühlfluidkanäle in den Bipolarplatten in dem Stapel ein Strömen des Kühlfluides verhindern. Wenn das System gestartet wird und das Kühlfluid nicht richtig strömt, bewirkt die Stapelabwärme, dass die Temperatur des Stapels über ihre normale Betriebstemperatur und möglicherweise auf Temperaturen ansteigt, die die Brennstoffzellenstapelelemente schädigen, wie die MEAs. Daher ist es erwünscht, ein Niedertemperaturkühlfluid bei Systeminbetriebnahme zu detektieren, um so einen Stapelschaden zu verhindern und die Temperatur der Kühlung so schnell zu erhöhen, dass es korrekt strömt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur eines Kühlfluides offenbart, das zur Steuerung der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels bei einer Systemfrostinbetriebnahme verwendet wird. Das Verfahren umfasst ein Bestimmen, dass das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist, um wenn dies der Fall ist, ein Deaktivieren von überhöhter bzw. übermäßiger Leistungsentnahme an dem Brennstoffzellenstapel, um Stapelabwärme zu minimieren, und ein Aktivieren einer Kühlfluidheizung, um das Kühlfluid zu erwärmen. Sobald bestimmt ist, dass das Kühlfluid nicht gefroren ist oder strömt, leitet das Verfahren dann eine normale Systeminbetriebnahme ein.
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 eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel und einem thermischen Subsystem; und
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zur Erwärmung eines Kühlfluides bei Systemfroststarts zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur eines Kühlfluides gerichtet ist, das die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels bei Systemfrostinbetriebnahme steuert, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Gebräuche zu beschränken.
1 ist eine vereinfachte schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Kathodenseite auf, die Luft von einem Kompressor 14 an einer Kathodeneingangsleitung 16 aufnimmt und ein Kathodenabgas an einer Kathodenabgasleitung 18 bereitstellt. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist auch eine Anodenseite auf, die ein Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 20, wie einem Hochdrucktank, an einer Anodeneingangsleitung 22 aufnimmt und ein Anodenabgas an einer Anodenabgasleitung 24 bereitstellt. Das System 10 weist ferner ein thermisches Subsystem auf, das eine Kühlfluidströmung zu dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitstellt. Das thermische Subsystem weist eine Hochtemperaturpumpe 28 auf, die das Kühlfluid durch einen Kühlmittelkreislauf 30 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 und durch die Kühlfluidströmungskanäle in den Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel 12 pumpt. Ein Temperatursensor 32 misst die Temperatur des Kühlfluides in dem Kühlmittelkreislauf 26, wenn es in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, und ein Temperatursensor 34 misst die Temperatur des Kühlfluides in dem Kühlmittelkreislauf 26, wenn es den Brennstoffzellenstapel 12 verlässt. Eine Heizung 36 ist in dem Kühlmittelkreislauf 30 vorgesehen und kann dazu verwendet werden, die Temperatur des durch den Kühlmittelkreislauf 30 strömenden Kühlfluides zu erhöhen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Heizung 36 kann eine beliebige Heizung sein, die für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie eine Widerstandsheizung.
2 ist ein Flussdiagramm 40, das einen Prozess zur Erhöhung der Temperatur des Kühlfluides zeigt, das durch die Kühlfluidströmungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12 und den Kühlkreislauf 30 strömt, der zur Steuerung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 verwendet wird. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 eingeschaltet oder aktiviert wird, leiten die Systeminbetriebnahmealgorithmen bei Kasten 42 eine Aufwärmabfolge ein, die eine normale Prozedur zum schnellen Erhöhen der Temperatur des Stapels 12 auf seine Betriebstemperatur ist, so dass er so effizient wie möglich arbeitet. Die Aufwärmabfolge bestimmt an der Entscheidungsraute 44, ob das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist. Die vorliegende Erfindung betrifft jeglichen geeigneten Prozess zur Bestimmung, ob das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist, wobei es in diesem Zustand nicht durch die Kühlfluidkanäle des Brennstoffzellenstapels 12 und den Kühlmittelkreislauf 30 strömen würde. Ein geeignetes Beispiel eines Algorithmus, der detektiert, ob das Kühlfluid gefroren ist, ist in der U.S.-Patentanmeldung Seriennummer 12/754,298 mit dem Titel ”Method to Detect No Coolant Flow in a Fuel Cell System” zu finden, die am 5. April 2010 eingereicht wurde, auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen ist und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Wenn kein gefrorenes oder nahezu gefrorenes Kühlfluid an der Entscheidungsraute 44 detektiert wird, umgeht der Algorithmus dann die Schritte zum Auftauen des Kühlfluides und fährt bei Kasten 46 mit einer normalen Inbetriebnahmeprozedur fort, die die Aufwärmabfolge aufweist.
Wenn das Kühlfluid an der Entscheidungsraute 44 gefroren oder nahezu gefroren ist, deaktiviert oder schaltet der Algorithmus dann einige oder alle der übermäßigen Lasten ab, die Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 ziehen, so dass der Stapelausgangsstrom und die Abwärme, die durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird, minimal sind. Typischerweise zieht der Kompressor 14 Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12, obwohl er möglicherweise bei seiner geringsten Drehzahl läuft. Ferner kann die Pumpe 28 Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 ziehen, die Injektoren, die Wasserstoff-Brennstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 injizieren, ziehen Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12, und die Kühlfluidheizung 36 kann Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 ziehen. Alternativ dazu kann die Heizung 36 Hochspannungsbatterieleistung für ihren Betrieb verwenden, wenn das System ein Hybridsystem ist und eine solche Batterie aufweist. Die Stapelleistung müsste auf ein experimentell vorbestimmtes Modell beschränkt werden, um zu ermöglichen, dass die Zusatzlasten und die Kühlfluidheizung 36 angetrieben werden, jedoch das Kühlfluid nicht überhitzt oder gesiedet wird, was typischerweise eine Nettoleistung von 2–6 kW ist. Jedoch werden andere Lasten, die sich außerhalb des Brennstoffzellensystems befinden, wie Nebenlasten, Traktionsmotor, Katalysatorerwärmung, Fahrgastraumerwärmung, etc. abgeschaltet.
Sobald die Quellen zur Entnahme übermäßiger Leistung deaktiviert worden sind, wird die Kühlfluidheizung 36 bei Kasten 50 eingeschaltet, um das Kühlfluid zu erwärmen und aufzutauen. Die Kühlfluidheizung 36 muss bei einem experimentell vorbestimmten Niveau betrieben werden, das hoch genug ist, damit das Kühlfluid erwärmt und jegliches Eis geschmolzen wird, jedoch nicht so heiß, dass das Kühlfluid siedet. Typischerweise wird die Kühlfluidheizung 36 in dem Kühlmittelkreislauf 30 an einer Stelle positioniert, die physikalisch unterhalb des Stapels 12 liegt, so dass durch die Heizung 36 erzeugte Wärme in dem Kühlmittelkreislauf 30 zu dem Stapel 12 ansteigt.
Sobald die Kühlfluidheizung 36 eingeschaltet ist, bestimmt der Algorithmus bei Entscheidungsraute 52 periodisch, ob die Stapeltemperatur größer als ein vorbestimmter Gefrierpunkt ist oder eine Kühlfluidströmung detektiert ist. Die Stapeltemperatur kann entweder durch einen oder beide der Temperatursensoren 32 und 34 überwacht werden, um eine Angabe der Kühlfluidtemperatur und somit der Stapeltemperatur zu geben. Der Gefrierpunkt kann eine beliebige geeignete Schwelle für das jeweilige System sein und kann auf vielen Faktoren basieren, wie der Anzahl von Zellen in dem Stapel 12, dem Prozentsatz des Gemisches von Wasser zu Glykol des Kühlfluides, etc. Die Kühlfluidströmung kann durch einen beliebigen geeigneten Prozess detektiert werden, wie einen Strömungsmesser, die Drehzahl der Pumpe 28, etc.
Wenn die Stapeltemperatur an der Entscheidungsraute 52 nicht größer als die Gefrierpunktschwelle ist oder keine Kühlfluidströmung detektiert wird, kehrt der Algorithmus dann zu dem Kasten 50 zurück, um die Kühlfluidheizung 36 im eingeschalteten Zustand beizubehalten, wobei der Algorithmus weiterhin die Stapeltemperatur und die Kühlfluidströmung periodisch bestimmt. Sobald die Stapeltemperatur an der Entscheidungsraute 52 größer als die Gefrierpunktschwelle ist oder die Kühlfluidströmung detektiert ist, wird an dem Kasten 46 dann der Kühlfluidauftauabschnitt des Algorithmus beendet und der Algorithmus fährt mit einer normalen Inbetriebnahmeabfolge fort.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, das verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zum Erhöhen der Temperatur eines Kühlfluides, das durch einen Brennstoffzellenstapel und einen Kühlmittelkreislauf außerhalb des Brennstoffzellenstapels strömt, bei Brennstoffzellensysteminbetriebnahme, wobei das System umfasst: Starten des Brennstoffzellenstapels so, dass er Leistung und Abwärme erzeugt; Bestimmen, oh das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist; Deaktivieren vorbestimmter Quellen, die Leistung von dem Brennstoffzellenstapel ziehen, falls das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist; Aktivieren einer Kühlfluidheizung, um das Kühlfluid in dem Kühlmittelkreislauf zu erwärmen, falls das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist; Bestimmen, ob die Temperatur des Stapels größer als ein vorbestimmter Gefrierpunkt ist oder eine Kühlfluidströmung durch den Kühlmittelkreislauf detektiert wird; und Fortfahren mit einer normalen Inbetriebnahmeprozedur, wenn die Temperatur des Stapels über dem vorbestimmten Gefrierpunkt liegt oder die Kühlfluidströmung detektiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktivieren der Kühlfluidheizung die Verwendung von Brennstoffzellenstapelleistung umfasst, um die Kühlfluidheizung zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktivieren der Kühlfluidheizung die Verwendung von Batterieleistung umfasst, um die Kühlfluidheizung zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Deaktivieren der Quellen ein Begrenzen des Leistungsausgangs des Brennstoffzellenstapels auf den Bereich von 2–6 kW umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob die Stapeltemperatur größer als der Gefrierpunkt ist, ein Messen der Temperatur des Kühlfluides unter Verwendung eines Temperatursensors umfasst, wenn das Kühlfluid in den Brennstoffzellenstapel von dem Kühlmittelkreislauf eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob die Stapeltemperatur größer als der Gefrierpunkt ist, ein Messen der Temperatur des Kühlfluides unter Verwendung eines Temperatursensors umfasst, wenn das Kühlfluid den Brennstoffzellenstapel in den Kühlmittelkreislauf verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kühlfluidheizung in dem Kühlmittelkreislauf angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kühlfluidheizung an einer Stelle angeordnet ist, die niedriger als der Brennstoffzellenstapel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aktivieren einer Kühlfluidheizung ein Aktivieren einer Kühlfluidheizung bei einem Leistungsniveau aufweist, das ein Sieden des Kühlfluides verhindert.
System zum Erhöhen der Temperatur eines Kühlfluides, das durch einen Brennstoffzellenstapel und einen Kühlmittelkreislauf außerhalb des Brennstoffzellenstapels strömt, bei Brennstoffzellensysteminbetriebnahme, wobei das System umfasst: ein Mittel zum Starten des Brennstoffzellenstapels, so dass er Leistung und Abwärme erzeugt; ein Mittel zur Bestimmung, ob das Kühlfluid gefroren oder nahezu gefroren ist.