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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Regeln der relativen Feuchtigkeit von Membranen in einem Brennstoffzellenstapel während einer Systemabschaltung und insbesondere auf ein Verfahren zum Bereitstellen einer optimalen Spülung, die bewirkt, dass die Membranen in einem Brennstoffzellenstapel rasch die gewünschten Hydratationsgrenzwerte der Membranen erreichen.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein Brennstoffzellenstapel zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen den mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
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Wie im Stand der Technik gut bekannt ist, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einer gewissen relativen Feuchtigkeit (RH), so dass der Innenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die relative Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases von dem Brennstoffzellenstapel hat einen starken Einfluss auf die relative Membranfeuchtigkeit. Durch Halten eines bestimmten Sollpunktes für die relative Feuchtigkeit des Kathodenauslasses, typischerweise 80%, kann die korrekte relative Feuchtigkeit der Stapelmembran aufrechterhalten werden. Stapeldruck, Stapeltemperatur, Kathodenstöchiometrie und relative Feuchtigkeit der Kathodenluft in dem Stapel sind allesamt geregelte Parameter, um die relative Feuchtigkeit in dem Luftauslass aufrechtzuerhalten. Für die Zwecke der Stapellebensdauer ist es wünschenswert, die Anzahl der Zyklen für die relative Feuchtigkeit der Membran zu minimieren, da das Durchfahren zwischen RH-Extrema sich als stark einschränkend für die Membranlebensdauer erwiesen hat. Insbesondere bewirkt das Durchfahren der relativen Feuchtigkeit der Membran, dass die Membran sich ausdehnt und zusammenzieht als Ergebnis der Wasserabsorption und des darauf folgenden Trocknens. Diese Ausdehnung und dieses Zusammenziehen der Membran erzeugt Löcher (Pin-Holes) in der Membran, welche einen Cross-Over von Wasserstoff und Sauerstoff über die Membran erzeugen, was zu Gefährdungspunkten führt, die wiederum die Größe des Lochs in der Membran erhöht, was wiederum die Lebensdauer reduziert.
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Wie oben erwähnt, wird Wasser als ein Abfallprodukt beim Stapelbetrieb erzeugt. Demzufolge beinhaltet das Kathodenabgas aus dem Stapel Wasserdampf und flüssiges Wasser. Es ist im Stand der Technik bekannt, Wasser aus dem Kathodenabgasstrom zu gewinnen und wieder in den Stapel über die Kathodeneinlassluft zurückzuführen. Viele Vorrichtungen können dazu verwendet werden, um diese Funktion auszuführen, beispielsweise eine Wasserdampftransfereinheit (WVT).
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Wenn die Leistungsanforderung an den Stapel wächst, wächst auch die Kompressordrehzahl, um den korrekten Betrag an Kathodenluft für die angeforderte Leistung bereitzustellen. Wenn jedoch die Kompressordrehzahl wächst, hat auch der Fluss an Luft durch die WVT-Einheit eine höhere Geschwindigkeit und kann weniger auf den gewünschten Grad befeuchtet werden. Darüber hinaus kann in einigen Brennstoffzellensystemausführungen die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlassstroms und/oder des Kathodenabgasstroms geregelt werden, um einen Sollpunkt durch Einstellen der Temperatur des Kühlmittelflusses aufrechtzuerhalten.
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Während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems ist es wünschenswert, dass die Membranen eine gewisse relative Feuchtigkeit aufweisen, so dass sie nicht zu nass oder zu trocken sind. Eine Membran, die zu nass ist, kann zu Problemen bei Niedertemperaturbedingungen führen, wobei das Wasser in dem Brennstoffzellenstapel einfriert und Eis erzeugt wird, das die Flusskanäle blockiert und den Wiederstart des Systems beeinträchtigt. Demzufolge ist es im Stand der Technik bekannt, die Flusskanäle in dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, wobei typischerweise Kompressorluft von dem Kompressor verwendet wird, um die Kathode oder die Anode des Stapels oder beide zu spülen. Ein zu langes Spülen kann jedoch dazu führen, dass die Membranen zu trocken werden, wobei die Membranen dann eine zu niedrige elektrische Leitfähigkeit beim nächsten Systemwiederstart aufweisen, was das Wiederstartvermögen beeinträchtigt und auch die Lebensdauer des Stapels reduziert. Des Weiteren ist es wünschenswert, das Brennstoffzellensystem zu spülen, so dass die Membranen den gewünschten Betrag an relativer Feuchtigkeit schnell erlangen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Spülen von Wasser aus einem Brennstoffzellenstapel bei einer Brennstoffzellensystemabschaltung offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Stapelwassererzeugungsanfrage und einer Kathodenkatalysatorheiungswassererzeugungsanfrage. Des Weiteren werden ein maximaler Betrag für eine Ladung, die eine Batterie in dem Brennstoffzellensystem aufnehmen kann, und eine zusätzliche Leistungsanfrage zum Stromversorgen von Komponenten des Brennstoffzellensystems während der Abschaltung bestimmt. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Zuteilen von, wie viel von der Wassererzeugungsanfrage durch Betreiben des Brennstoffzellenstapels für das Laden der Batterie und das Bereitstellen der benötigten Leistung für die zusätzliche Leistungsanfrage erfüllt werden kann, so dass das Wasserabfallprodukt erzeugt wird, und wie viel von der Wassererzeugungsanfrage durch Heizen des Kathodenkatalysators erfüllt werden kann, welches Wasser und Wärme in einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels erzeugt.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und Lambda auf der vertikalen Achse aufgetragen sind, welches eine gewünschte konstante Rate für das Trocknen der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel veranschaulicht; und
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3 ist ein Flussdiagramm für einen Algorithmus für das Bestimmen einer Stapelwassererzeugungsanfrage für eine Stapelspülungsanfrage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Regeln einer Spülung eines Brennstoffzellenstapels bei einem Systemabschalten gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem
10 mit einem Brennstoffzellenstapel
12. Das Brennstoffzellensystem
10 ist dazu gedacht, allgemein jede Art von Brennstoffzellensystemen darzustellen, das eine Anodenabgasentlüftung erfordert, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels
12 zu entfernen. Beispiele für solche Brennstoffzellensysteme beinhalten Brennstoffzellensysteme, die das Anodenabgas zurück an den Anodeneinlass rezirkulieren und Brennstoffzellensysteme, die ein Split-Stapeldesign mit Anodenflussumkehr verwenden, welche beide im Folgenden als ein ”Anodensubsystem” bezeichnet werden. Eine Wasserstoffquelle
24 liefert frischen trockenen Wasserstoff an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 auf einer Anodeneingangsleitung
26 unter Verwendung eines Injektors
44, beispielsweise eines Injektor/Ejektors, wie in der
US 7,320,840 mit dem Titel ”Kombination von Injektor/Ejektor für Brennstoffzellensysteme” beschrieben ist, und eingetragen ist für den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert ist. Ein Anodenabgas wird aus dem Stapel
12 auf einer Anodenrezirkulationsleitung
28 ausgelassen. Ein Anodenentlüftungsventil
30 entlüftet Anodenabgas von der Anodenrezirkulationsleitung, wie unten diskutiert wird.
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Das System 10 beinhaltet des Weiteren einen Kompressor 14, der einen Kathodeneinlassluftfluss auf der Kathodeneingangsleitung 18 an den Stapel 12 liefert. Ein Kathodenabgas wird auf einer Kathodenabgasleitung 20 ausgelassen und durch eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) 22 in die Kathodeneingangsleitung 18 oder um die WVT-Einheit 22 herum unter Verwendung eines Bypass-Ventils 32 geführt, um den gewünschten Betrag an Feuchtigkeit an den Kathodeneinlassluftfluss in einer Art bereitzustellen, die von Fachleuten gut verstanden ist. Wie der Fachwelt bekannt ist, wird die Feuchtigkeit für die WVT-Einheit 22 typischerweise von dem Kathodenabgas geliefert. Der Kompressor 14, die Kathodeneingangsleitung 18, die WVT-Einheit 22 und die Kathodenabgasleitung 20 sind alle Teil eines ”Kathodensubsystems”. Das Anodenentlüftungsventil 30 entlüftet Anodenabgas in die Kathodeneingangsleitung 18 über eine Entlüftungsleitung 16 und stellt damit einen Pfad für das Einführen von Wasserstoff in die Kathodenseite des Stapels 12 bereit, wie unten diskutiert werden wird.
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Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet ferner ein thermisches Subsystem zum Regeln der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12. Insbesondere pumpt eine Kühlflüssigkeitspumpe 38 eine Kühlflüssigkeit durch eine Kühlmittelschleife 40 außerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 und durch Kühlmittelflusskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12. Eine Batterie 34 ist vorgesehen, um das Brennstoffzellensystem 10 bei Bedarf mit Strom zu versorgen. Die Batterie 34 wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 zu gewissen Zeiten während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 in einer Art aufgeladen, wie sie Fachleuten bekannt ist.
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Um eine Hochfrequenzwiderstandsmessung (HFR) zu ermöglichen, beinhaltet das Brennstoffzellensystem 10 einen Sensor 46 zum Messen des Widerstands des Hochfrequenzanteils am Stapelausgang, welche an einen Controller 36 geliefert wird. Die HFR-Messung des Stapels besteht aus drei additiven Faktoren: dem Elektronenwiderstand, welcher aus dem Festkörperwiderstand besteht, dem Kontaktwiderstand und dem Membranprotonenwiderstand. Der Controller 36 wandelt die HFR-Messung in einen repräsentativen Wert um, der den Feuchtigkeitsgrad in dem Stapel 12 mittels bekannter Rechnungen identifiziert. Der Protonenwiderstand der Membranen in dem Stapel 12 kann durch Subtrahieren eines empirisch bestimmten Zellkontaktwiderstandes und eines Festkörperwiderstandes aus dem gemessenen Hochfrequenzwiderstand HFR bestimmt werden. Die Membranleitfähigkeit wird dann durch Invertieren des Membranwiderstands und darauf folgendem Multiplizieren von diesem mit der Membrandicke berechnet. Unter Verwendung fundamentaler Membranmaterialcharakterisierungsdaten für die Membranen in dem Stapel 12, der Membranfeuchtigkeit, oder Lambda, welche als Mol Wasser pro Mol an SOH3 in der Membran definiert ist, kann als eine Funktion der gemessenen Leitfähigkeit und der gemessenen Brennstoffzellenstapeltemperatur berechnet werden.
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Die Materialgrenzwerte für die Trockenheit der Membranen in dem Stapel 12 werden allgemein als Lambda ausgedrückt, einer dimensionslosen Messung von einer Membranfeuchtigkeit. In früheren Brennstoffzellensystemen mit relativ dicken Membranen wurde der untere Grenzwert für die Feuchtigkeit oder Lambda nicht überschritten, um einen verlässlichen Start bei Frost, beim Spülen des Brennstoffzellenstapels mit herkömmlichen Verfahren zu erzielen. Bei bekannten Brennstoffzellensystemen führten Reduktionen der Membrandicken zu einer signifikant geringeren Dauer des Abschaltspülverfahrens, was unten im Detail diskutiert werden wird, aufgrund niedrigerer Grenzwerte von Lambda oder einem übermäßigen Trocknen.
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Um ein übermäßiges Austrocknen der Membranen in bekannten Brennstoffzellensystemen zu minimieren, werden alternative Spülstrategien benötigt. Dies kann auf mehrere verschiedene Arten erreicht werden, wobei ein Hauptziel darauf gerichtet ist, die relative Feuchtigkeit im Kathodeneinlass und die Stapelwassererzeugung während des Abschaltspülens zu erhöhen. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet die WVT-Einheit 22, die einen Teil des Wassers, das den Stapel 12 verlässt, an den Brennstoffzellenstapel Kathodeneinlassluftstrom transferiert, wie oben diskutiert wurde. Demzufolge steigert eine erhöhte Stapelwassererzeugung die relative Feuchtigkeit des Stapelauslasses und resultiert in einer höheren relativen Feuchtigkeit im Einlass. Eine andere Art, um Wasser in dem Stapel 12 zu erzeugen, ist es, den Kathodenkatalysator zu heizen, d. h. Wasserstoff an den Kathodeneinlassstrom abzugeben, was unten im Detail diskutiert werden wird.
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Um verlässliche Startbedingungen bei Frost für einen Stapel 12 mit Brennstoffzellenmembranen, welche dünn sind, zu erzielen, muss die Trocknungsrate des Brennstoffzellenstapels 12 modifiziert werden, so dass die Verteilung der Feuchtigkeit und der Grad der Feuchtigkeit basierend auf den Charakteristiken der Materialien des Brennstoffzellenstapels 12 optimiert wird. Die Implementierung kann jede Kombination von erhöhter Stapelwassererzeugung durch eine elektrochemische Reaktion oder durch katalytische Verbrennung von Wasserstoff und Luft, Regelung der Brennstoffzellenstapelkühlmitteltemperatur oder variable Abschaltspülkathodenluftflüsse beinhalten. Eine Spülkontrollstrategie, die im Detail diskutiert werden wird, reduziert die Alterung der Membranen in dem Stapel 12, minimiert den Brennstoffverbrauch beim Abschaltspülen, steigert die Robustheit beim Start bei Frost und minimiert die Abschaltspülzeit.
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Um akzeptable Mengen an Stickstoff in dem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems 10 aufrechtzuerhalten, wird Anodenabgas von der Anodenrezirkulationsleitung 28 an die Kathodeneingangsleitung 18 auf der Entlüftungsleitung 16 entlüftet. Alternativ dazu kann das Anodenabgas in der Kathodenabgasleitung 20 entlüftet werden und eine separate Leitung kann dazu verwendet werden, um Wasserstoff aus dem Anodensubsystem an die Kathodeneingangsleitung 18 zu führen, was in der US-Patentanmeldung Nummer 12/334,007, angemeldet am 12. Dezember 2008 mit dem Titel ”Verfahren und Regelungen für Wasserstoff an einen Kathodeneinlass eines Brennstoffzellensystems” beschrieben ist, welche von dem Anmelder dieser Patentanmeldung angemeldet wurde und deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme inkorporiert ist. Das Hinzufügen von Wasserstoff an den Kathodeneinlassluftstrom befördert zu einer katalytischen Verbrennungsreaktion, die dazu verwendet werden kann, um beispielsweise das Brennstoffzellensystem 10 während des Betriebs bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu heizen und Wasser in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu erzeugen.
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Wie oben erwähnt, ist das Produkt der katalytischen Verbrennungsreaktion Wasserdampf und Wärme. Wenn die Wärme, die bei dieser Reaktion erzeugt wird durch Kühlen (typischerweise mittels Wärmeabfuhr durch ein flüssiges Kühlmittel durch die Bipolarplatten der Brennstoffzelle) entfernt wird, kann die Solltemperatur in der Brennstoffzelle aufrechterhalten werden. Der hinzugefügte Wasserdampf wird dann die relative Feuchtigkeit innerhalb des Kathodenstroms in dem Brennstoffzellenstapel 12 erhöhen und kann daher dazu verwendet werden, um das Austrocknen der Membranen in den Brennstoffzellen des Stapels 12 auf einen akzeptablen Grad zu begrenzen.
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In den derzeitigen Brennstoffzellensystemen, beispielsweise in dem Brennstoffzellensystem 10, wird der Strom, der dazu benötigt wird, um das Brennstoffzellensystem 10 während eines Abschaltspülens zu trocknen, von dem Brennstoffzellenstapel 12 durch einen Lufterzeuger beispielsweise den Kompressor 14 geliefert. Der elektrische Strom, der erforderlich ist, um den Strom zu erzeugen, der für die Abschaltspülung benötigt wird, ist typischerweise sehr gering verglichen zu der Kathodenluftflussrate, d. h. die Kathodensauerstoffstöchiometrie ist sehr hoch. Bei einer hohen Kathodenstöchiometrie ist die relative Feuchtigkeit im Gleichgewicht sehr niedrig, d. h. die relative Feuchtigkeit der Membran und der Flusskanäle ist sehr niedrig, was oft zu einer ausgetrockneten Membran führt. Durch künstliches Erhöhen des Brennstoffzellenstroms durch beispielsweise Aufladen mit einer Batterie und/oder durch Erniedrigen des Kathodenluftflusses während der Abschaltspülung kann die relative Feuchtigkeit im Gleichgewicht im Auslass während der Abschaltspülung erhöht werden, was in einer korrekt getrockneten Membran resultiert. Eine höhere relative Gleichgewichtsfeuchtigkeit wird das Minimum an dem während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems 10 gemessenen Lambda begrenzen, da die Diffusionsmedien und Flusskanäle vor der Membran austrocknen werden. Eine erhöhte Wassererzeugung oder ein niedrigerer Kathodenfluss resultiert in einer höheren relativen Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses während des Abschaltspülens, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Membranen in dem Stapel 12 führen sollte. Ein optimaler Wechsel in der Befeuchtung über die Zeit kann vorbestimmt oder berechnet werden, um die Materiallebensdauer, die Systemeffizienz und/oder die Systemleistungsfähigkeit zu optimieren.
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Bei gegenwärtigen Brennstoffzellensystemen wird typischerweise ein Kühlmittel über Flüssigkeitskanäle in den Brennstoffzellenplatten, gewöhnlicherweise in Richtung des Kathodenflusses bereitgestellt. Durch Ändern der Kühlmitteleinlasstemperatur an dem Stapel 12 oder der Kühlmittelflussrate durch den Stapel 12 kann die Kühlmittelauslasstemperatur geändert werden, was damit zu einer Möglichkeit führt, um die relative Feuchtigkeit des Kathodensubsystems während der Abschaltspülung einzustellen. Wie oben erwähnt, wird eine höhere relative Feuchtigkeit im Gleichgewicht das minimale Lambda während einer Abschaltspülung erhöhen.
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Basierend auf vorangegangenen Tests für ein vorgegebenes Brennstoffzellenstapeldesign wird der optimale Betrag für eine mittlere Stapelmembranbefeuchtung oder Lambda so definiert, dass der optimale Grad eine robuste Startleistungsfähigkeit bei Frost bei allen möglichen Umgebungstemperaturen gewährleistet. Der optimale Grad für eine durchschnittliche Stapelmembran wird dann der Sollpunkt sein, der während der Abschaltspülungen verwendet wird, um die notwendige Brennstoffzellenstapelwasserabfallprodukterzeugungsrate zu bestimmen.
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Basierend auf einem Stapel-HFR-Modell oder einem Stapelwasser-Puffermodell, wie es in der
US 7,862,935 mit dem Titel ”Management für eine dynamische Wasserstandsabschätzung in einer Brennstoffzelle” beschrieben ist, welche eingetragen ist auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme inkorporiert ist, ist die Rückkopplung von der mittleren Membranbefeuchtung oder von Lambda bei Beginn der Abschaltspülung bekannt. Mit einem bekannten Anfangs- und Endmembranbefeuchtungsgrad sowie einer gewünschten Änderungsrate in der Befeuchtung über die Zeit, kann die gewünschte Wassererzeugungsrate aus der gemessenen Kathodeneinlasswasserflussrate und einer modellierten Kathodenauslasswasserflussrate berechnet werden. Um die Stapelwassererzeugungsrate basierend auf einem Zielwassergrad in der MEA zu berechnen, wird die folgende Gleichung verwendet:
wobei mdot
H2O,in über die Software des Controllers
36 berechnet wird, und eine Funktion der Kühlmitteltemperatur, des Luftflusses, des Kathodentaupunktes und des Kathodendrucks ist, und wobei mdot
H2O,out in dem Wasserpuffermodell berechnet wird und eine Funktion der Kühlmitteltemperatur des Luftflusses, des Kathodentaupunktes, des Kathodendrucks und des Stapelstroms ist und bei Purge Duration definiert ist als
Da die Einlass- und Auslasswasserflussrate sich im Verlauf der Abschaltspülung ändern wird, wird der gewünschte Wassererzeugungssollpunkt auch mit der Zeit geändert werden müssen. Um das Regeln der Wasserentfernungsrate zu verbessern, kann ein PID-Regler, wie der PID-Regler
42 verwendet werden. Der PID-Regler
42 verwendet den berechneten Wassererzeugungssollpunkt als einen Startpunkt oder als eine Regelgröße. Der zweite Eingang für den PID-Regler
42 wäre die Regeldifferenz oder Regelgröße zwischen der Sollrate an Wasserentfernung und der tatsächlichen Rate an Wasserentfernung.
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2 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der horizontalen Achse und Lambda auf der vertikalen Achse aufgetragen sind und eine gewünschte konstante Rate für das Trocknen der Membranen in einem Brennstoffzellenstapel veranschaulicht. Die Linie 50 veranschaulicht einen Beginn von Lambda bei einer feuchteren Bedingung und die Linie 52 veranschaulicht eine trockenere Startbedingung für Lambda. Der Start der Spülung wird mit der Linie 54 gezeigt und das angestrebte Lambda am Ende der Spülung wird durch die Linie 56 veranschaulicht. Beide Linien 50 und 52 weisen eine konstante Steigung für den Wechsel von Lambda mit der Zeit auf, wobei es wünschenswert ist, die Membranbefeuchtung während einer Stapelspülung zu reduzieren. Wie in der 2 gezeigt ist, erreicht die Linie 52 den Zielwert von Lambda von 4 vor der Linie 50.
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Während einer Abschaltspülung bei Frost, was unten beschrieben wird, kann die zusätzliche Brennstoffzellenstapelwassererzeugung beispielsweise aus einer Kombination von zwei Hauptquellen kommen: (1) einer Brennstoffzellenstapelstromerzeugung, die für das Aufladen der Batterie erforderlich ist, und (2) einer Wasserstoffkathodenkatalysatorheizung (CCH) durch Einführen von Wasserstoff an die Kathodenseite des Stapels 12. Da der Ladezustand (SOC) der Batterie 34 unterhalb eines gewünschten Betrags sein kann, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 Wasser mit elektrischem Strom erzeugt, kann der elektrische Strom dazu verwendet werden, um den Ladezustand der Batterie 34 zu erhöhen. Dies ist der effizienteste Weg, um Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu erzeugen, da ein Prozentsatz der verbrauchten Energie von der Batterie 34 während der darauffolgenden Fahrzeugbenutzung wiedererlangt wird.
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Die Wasserstoff-CCH-Funktion wird während des Abschaltens bei Frost aus zwei Gründen verwendet. Zum einen profitiert die Anodenperiferie (Balance-of-Plant = BOP) von dem CCH durch das Entfernen von Wasser aus kleinen Passagen durch den erhöhten Wasserstofffluss und das Verdampfen (aufgrund eines niedrigeren relativen Gleichgewichts an Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenstapel). Diese Funktion ist insbesondere für das Anodenentlüftungsventil 30 von Vorteil, welches dazu verwendet wird, um die Anodenwasserstoffkonzentration zu regeln und dazu verwendet wird, um Wasserstoff für das Stapelheizen an die Kathodeneingangsleitung 18 in einem folgenden Hochfahren bei einer niedrigen Temperatur zu verwenden. Zum anderen kann die Batterie 34 bei einem maximalen Ladezustand sein und demzufolge nicht weiter aufgeladen werden. Wenn die Batterie 34 bei einem maximalen Ladezustand ist, besteht keine weitere effiziente Abnahme für den zusätzlich erzeugten Brennstoffzellenstapelstrom, der für die Wassererzeugung verwendet wird. In diesem Fall kann die Wasserstoff-CCH dazu verwendet werden, um den erforderlichen Betrag an Wasser anstelle eines Brennstoffzellenstapelstroms zu erzeugen. Demzufolge muss das Brennstoffzellensystem 10 charakterisiert werden, um die minimale Zeit und den optimalen Betrag an CCH zu bestimmen, um die kritischen Bereiche der Anodenperiferie zu klären.
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3 ist ein Flussdiagramm 80 für einen Algorithmus für eine optimale Abschaltspülung des Brennstoffzellensystems 10. Im Kasten 82 wird eine Wassererzeugungsanfrage für eine Abschaltspülung von dem Controller 36 empfangen. Die Wassererzeugungsanfrage für die Abschaltspülung wird von dem PID-Regler 42 erzeugt und die Wassererzeugungsanfrage besteht in Termen von Anzahlen von Molen pro Sekunde von Wasser, welches benötigt wird, um das Brennstoffzellensystem 10 von überschüssigem Wasser zu spülen, wobei noch ein akzeptabler Grad an Membranbefeuchtung für die Membranen in dem Stapel 12 in dem Kasten 82 aufrechterhalten wird.
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In dem Kasten 86 ist der Betrag an Molen pro Sekunde von Wasser, das benötigt wird, das von der Kathodenkatalysatorheizung (CCH) benötigt wird, um sicherzustellen, dass die Anodenperiferie (BOP) frostsicher ist, die zweite Eingangsgröße für den Algorithmus des Flussdiagramms 80. Der Betrag an CCH, der für die Anodenperiferie benötigt wird, und die Dauer der CCH für die Anodenperiferie sind Kalibrierungen, die in Abhängigkeit der Brennstoffzellenstapelcharakteristik, beispielsweise den Hardwareerfordernissen, eingestellt werden. Typischerweise wird der Betrag an Molen pro Sekunde an Wasser, die von der CCH benötigt werden, einmal für ein spezifisches Brennstoffzellensystem 10 eingestellt und bleiben für das System 10 und für jede Spülung gleich. Die CCH-Mole pro Sekunde an Wassererzeugung sind erforderlich, um die Anodenperiferie zu trocknen. Demzufolge wird dieser Fluss den erforderlichen Betrag an Wasser, der durch eine elektrochemische Reaktion in dem Stapel 12 erzeugt wird, reduziert und er wird von der Wassererzeugungsanfrage in einem Kasten 84 subtrahiert, was unten im Detail ausgeführt wird.
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Die dritte Eingangsgröße in dem Algorithmus des Flussdiagramms 80 ist der Betrag an Wassererzeugung, der mit einer zusätzlichen Leistungsanfrage für das Brennstoffzellensystem 10 in dem Kasten 88 einhergeht, welcher der Betrag an elektrischem Strom ist, der von dem Stapel 12 erzeugt wird, der von dem Brennstoffzellensystem 10 dazu verwendet wird, um während der Abschaltspülungsanfrage betrieben zu werden. Die zusätzliche Leistung, die mit der Wassererzeugung verbunden ist, bewirkt, dass das erzeugte Wasser durch den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 erzeugt wird, was unten im Detail diskutiert wird. Demzufolge wird eine korrigierte Wassererzeugungsanfrage minus dem Betrag an erzeugtem Wasser von der CCH, minus dem Betrag an erzeugtem Wasser aus einer zusätzlichen Leistungsanfrage in dem Kasten 84 bestimmt.
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Die gewünschte Anzahl an Molen pro Sekunde an Wasser aus dem Kasten 82 wird verwendet, um den Stromfluss durch den Stapel 12 zu bestimmen, der benötigt wird, um den gewünschten Betrag an Wasser zu produzieren. Der bestimmte Stromfluss ist eine Eingangsgröße zu dem Kasten 84. Da ein bekannter Zusammenhang zwischen dem Stromfluss durch den Stapel 12 und der Anzahl von Molen pro Sekunde an erzeugtem Wasser besteht, kann diese Beziehung dazu verwendet werden, um den nötigen Betrag an Stromfluss durch den Stapel 12 zu berechnen. Wenn die Wassererzeugungsanfrage an dem Ausgang des Kastens 84, d. h. die gesamte Stapelwassererzeugungsanfrage minus CCH und minus die zusätzliche Leistungsanfrage, ein negativer Wert ist, dann geht der Ausgang des Kastens 84 auf Null und fährt mittels einer modifizierten Spülung, wie unten diskutiert wird, fort.
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Die vierte Eingangsgröße in dem Algorithmus des Flussdiagramms 80 ist die Wassererzeugung, die mit dem Brennstoffzellenstapelstrom einhergeht, welcher dazu verwendet wird, die Batterie 34 in dem Kasten 90 zu laden, d. h. der maximale Betrag an Ladung, den die Batterie 34 aufgrund ihres Ladezustands (SOC) aufnehmen kann. Basierend auf dem Betrag an Ladung der Batterie 34, der in dem Kasten 90 aufgenommen werden kann, und der bestimmten Wassererzeugungsanfrage in dem Kasten 84 bestimmt der Algorithmus, wie viel an Stapelwassererzeugungsanfrage benötigt wird, welche durch das Aufladen der Batterie 34 in dem Kasten 92 erfüllt werden kann, indem die Minimalwerte des Kastens 90 und des Kastens 84 ausgegeben werden.
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Wenn bestimmt wird, dass die Wassererzeugungsanfrage minus der zusätzlichen Leistungsanfrage und der CCH-Wassererzeugungsanfrage über Null in dem Ausgang des Kastens 84 liegt, korrespondiert der Betrag an Wassererzeugungsanfrage für den Stapel 12 zu der Kombination der zusätzlichen Leistung und Batterieaufladungsleistung im Kasten 92. Durch Aufnehmen der Ladung, zieht die Batterie 34 Strom durch den Stapel 12, was einen präzisen Betrag an Molen pro Sekunde von Wasser erzeugt. Analog dazu erzeugt der Strom, der durch den Stapel 12 gezogen wird, der dazu verwendet wird, um die zusätzliche Leistungsanfrage zu erfüllen, einen präzisen Betrag an Molen pro Sekunde von Wasser. Sowohl der Betrag an Molen, die durch das Aufladen der Batterie 34 als auch durch die zusätzliche Leistungsanfrage erzeugt werden, werden in dem Kasten 94 addiert. Dieser Wert korrespondiert zu einem Ausgang für den Algorithmus, was in dem Kasten 96 gezeigt ist.
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Die gesamte elektrochemische Wassererzeugungsanfrage von dem Kasten 94 wird mit der Stapelwassererzeugungsanfrage aus dem Kasten 82 im Kasten 98 verglichen. Wenn der Betrag an Molen pro Sekunde von Wasser aus dem Kasten 94 in den Kasten 98 dahingehend bestimmt wird, dass dieser niedriger als die Stapelwassererzeugungsanfrage aus dem Kasten 82 ist, dann wird der verbleibende Betrag an Stapelwassererzeugung für die Anfrage von der CCH erfüllt. Um sicherzustellen, dass das Wasser adäquat von der Anodenperiferie (BOP) entfernt wird, vergleicht der Algorithmus, wie oben diskutiert, im Kasten 100, wie viele Mole pro Sekunde von Wasser mithilfe der CCH erzeugt werden müssen, um den Betrag für die Anodenperiferie-Wasserentfernung zu bekommen. Das Maximum an CCH und Anodenperiferiewassererzeugungsanfrage verlässt den Kasten 100 und wird als Algorithmusausgang im Kasten 102 für die gesamte CCH-Wassererzeugungsanfrage während der Spülung verwendet.
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Zu Beginn einer Spülung werden die Bedingungen des Stapels 12, beispielsweise die Temperatur und Lambda, verwendet, um den optimalen Betrag an Kathodenluftfluss für die Dauer jeder einzelnen Spülung zu bestimmen. Während der Luftfluss während einer vorgegebenen Spülung verändert werden kann, um das gewünschte End-Lambda dazu erzielen, wird der Luftfluss typischerweise konstant gehalten, da das Geräusch eines sich ändernden Luftflusses für den Benutzer des Brennstoffzellensystems 10 wenig erfreulich ist. Wenn die gewählte Luftflussrate jedoch nicht das gewünschte Lambda für die Spülung erzielt, kann jedoch eine Kathodenluftflussänderung von Nöten sein. Der Luftfluss sollte so niedrig wie möglich gehalten werden, um ein Austrocknen des Kathodeneinlassbereichs der Membranen in dem Stapel 12 zu verhindern.
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Eine andere Art, um die Kathodenluftflussrate für die Spülung zu bestimmen, ist, die gewünschte Luftflussrate basierend auf einem Wassergehalt in den Diffusionsmedien, d. h. definiert als Theta zu bestimmen. Da die Diffusionsmedien mehr Wasser als die Membranen aufnehmen und da die Diffusionsmedien vor den Membranen austrocknen, ist es möglich für den Algorithmus, Theta zu verwenden, um den Kathodenluftfluss für die Spülung zu bestimmen. Ein höheres Theta entspricht einem höheren Kathodenluftfluss während der Spülung, um den gewünschten Betrag an Membranfeuchtigkeit innerhalb der gewünschten Zeit zu erzielen.
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Zusätzlich zu der Erzielung eines gewünschten mittleren Brennstoffzellenstapel-Lambdas am Ende der Spülung mithilfe des oben diskutierten Algorithmus sollte der Befeuchtungsgrad an jedem vorgegebenen Ort in den Brennstoffzellen des Stapels
12 nicht unter einen Sollbetrag zu irgendeiner Zeit während der Abschaltspülung fallen. Um die gewünschte gleichförmige Befeuchtung in den Brennstoffzellen des Stapels
12 zu erreichen, wird ein Wasserpuffermodell während der Spülung verwendet. Das Wasserpuffermodell, das in der
US 7,862,935 beschrieben ist und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert ist, modelliert die mittlere Membranbefeuchtungsgrade in einer in einem Vier-Knotenmodell auf die Länge der Brennstoffzellen herunter. Das Wasserpuffermodell wird dazu verwendet, um sicherzustellen, dass der Grad an Befeuchtung an jedem vorgegebenen Ort in der Brennstoffzelle nicht unter einen vorbestimmten gewünschten Grad fällt. Beispielsweise wird das Lambda für den Knoten
1 des Wasserpuffermodells, welches mit dem Kathodeneinlassbereich der Brennstoffzellen des Stapels
12 assoziiert ist, konstant überwacht, da der Kathodeneinlassbereich typischerweise der trockenste Bereich in dem Brennstoffzellenstapel
12 während einer Abschaltspülung ist. Falls der Befeuchtungsgrad oder das Lambda für den Knoten
1 unter einen vorbestimmten minimalen Grad zu irgendeiner Zeit während der Spülung fällt, wird eine zusätzliche Wassererzeugung von dem Controller
36 angefordert. Das Meiste der Wassererzeugung von der CCH erfolgt in dem Knoten-1-Bereich. Demzufolge wird das zusätzliche Wasser, das basierend auf dem Lambda des Knotens
1 angefordert wird, wie es von dem Wasserpuffermodell bestimmt wird, zu dem Brennstoffzellenstapel
12 mithilfe der CCH hinzugefügt. Falls der Knoten-1-Bereich nicht unter den vorbestimmten minimalen Befeuchtungsgrad fällt, fährt die Spülung ohne zusätzliche CCH fort.
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Falls die Wassererzeugungsanfrage in dem Algorithmus auf Null in dem Ausgang des Kastens 84 geht, was oben diskutiert wurde, und bedeutet, dass das System keine Wassererzeugung benötigt, da das System bereits hinreichend nass ist und die Zellen nicht austrocknen, kann dann ein Regelalgorithmus verwendet werden, um den Kathodenluftfluss zum Spülen des Stapels 12 zu erhöhen. Dieser Regelalgorithmus würde den Wechsel in den durchschnittlichen Zellen-Lambdas mit der Zeit als eine Rückkopplung verwenden, um den Kathodenluftfluss zu erhöhen oder zu erniedrigen, um die gewünschte Änderungsrate im mittleren Lambda zu erzielen.
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Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion und den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7320840 [0016]
- US 7862935 [0028, 0041]
