DE102017110008A1 - System und verfahren zur luftregelung für brennstoffzellenstapelsystem - Google Patents

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Abstract

Ein Luftstromregelverfahren eines Luftregelsystems für einen Brennstoffzellenstapel (FCS für engl. fuel cell stack) umfasst ein Öffnen eines Rückführventils durch eine Steuerung zum Rückführen von Luft durch einen Verdichter in Reaktion auf eine Identifikation eines Kaltstartereignisses, um eine Temperatur der Luft vor ihrem Eintritt in den FCS zu erhöhen, um eine FCS-Temperatur unter einer vorbestimmten Schwelle auszugleichen. Das Rückführventil kann mit dem Verdichter angeordnet sein, um Luft dadurch rückzuführen. Der FCS kann mit dem Verdichter und dem Rückführventil angeordnet sein, um selektiv Luft davon zu empfangen. Ein Sensor kann thermische Bedingungen des FCS messen. Die Steuerung kann so programmiert sein, dass sie Signale vom Sensor empfängt, welche thermische Bedingungen des FCS anzeigen, und das Rückführventil basierend auf den Signalen betätigt, um Luft durch den Verdichter rückzuführen, um eine Temperatur der Luft vor ihrem Eintritt in den FCS zu erhöhen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Offenbarung betrifft die Luftzirkulation innerhalb eines Thermomanagementsystems eines Brennstoffzellenstapels.
  • HINTERGRUND
  • Ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug (FCV für engl. fuel cell vehicle) oder ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV für engl. fuel cell electric vehicle), kann eine Energiespeichervorrichtung, wie beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, zum Speisen von Komponenten des Fahrzeugs enthalten. Der Brennstoffzellenstapel kann in Systeme zur Unterstützung beim Steuern der Performance und des Betriebs eines Fahrzeugs integriert sein. Der Brennstoffzellenstapel kann mit einem Thermomanagementsystem zur Unterstützung beim Steuern von thermischen Bedingungen des Brennstoffzellenstapels verwendet werden.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein Luftstromregelverfahren eines Luftregelsystems für einen Brennstoffzellenstapel (FCS für engl. fuel cell stack) umfasst ein Öffnen eines Rückführventils durch eine Steuerung zum Rückführen von Luft durch einen Verdichter in Reaktion auf eine Identifikation eines Kaltstartereignisses, um eine Temperatur der Luft vor ihrem Eintritt in den FCS zu erhöhen, um eine FCS-Temperatur unter einer vorbestimmten Schwelle auszugleichen. Das Verfahren kann außerdem ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters während der Rückführung der Luft umfassen, um eine Temperatur davon weiter zu erhöhen. Die Verdichterdrehzahl kann auf eine konstante Drehzahl erhöht werden, und eine Betriebsstellung des Rückführventils kann derart geändert werden, dass ein konstanter Massendurchsatz von Luft zum FCS erreicht wird. Die Betriebsstellung des Rückführventils kann auf Daten aus einer zugreifbaren Tabelle basieren, welche Ventilstellungen in Bezug auf FCS-Temperatureinstellungen entsprechen. Die erhöhte Verdichterdrehzahl kann auf den Daten zum Erhöhen der FCS-Temperatur über die vorbestimmte Schwelle basieren. Das Verfahren kann ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters entsprechend einer zusätzlichen Leistungsentnahme aus dem FCS umfassen, um die erhöhte Drehzahl zu unterstützen und die Temperatur des FCS weiter zu erhöhen. Das Verfahren kann außerdem ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters basierend auf einer Erkennung, dass ein Massendurchsatz der zum FCS strömenden Luft unter einer vorbestimmten Durchsatzschwelle liegt. Das Verfahren kann ferner ein Identifizieren des Kaltstartereignisses als ein Ereignis umfassen, bei welchem Temperaturbedingungen des FCS bei oder nahe dem Gefrierpunkt sind.
  • Ein FCS-Thermomanagementsystem umfasst einen Verdichter, ein Rückführventil, einen FCS, einen Sensor und eine Steuerung. Das Rückführventil ist mit dem Verdichter angeordnet, um Luft dadurch rückzuführen. Der FCS ist mit dem Verdichter und dem Rückführventil angeordnet, um selektiv Luft davon zu empfangen. Der Sensor misst thermische Bedingungen des FCS. Die Steuerung ist so programmiert, dass sie Signale vom Sensor empfängt, welche thermische Bedingungen des FCS anzeigen, und das Rückführventil basierend auf den Signalen betätigt, um Luft durch den Verdichter rückzuführen, um eine Temperatur der Luft vor ihrem Eintritt in den FCS zu erhöhen. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie das Rückführventil basierend auf einer Erkennung eines Verdichterpumpereignisses öffnet. Die Steuerung kann ferner so konfiguriert sein, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf den Empfang eines Signals vom Sensor öffnet, das anzeigt, dass eine Temperatur des FCS unter einer vorbestimmten Schwelle liegt. Die vorbestimmte Schwelle kann eine Temperatur sein, die dem FCS mit Eisbedingungen darin entspricht. Die vorbestimmte Schwelle kann eine Temperatur sein, die einem Kaltstartereignis entspricht. Die Steuerung kann ferner so konfiguriert sein, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf den Empfang eines Signals vom Sensor schließt, das anzeigt, dass eine Temperatur des FCS über einer vorbestimmten Schwelle liegt. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf den Empfang eines Temperaturmesswerts vom Sensor öffnet, der anzeigt, dass Luft innerhalb des FCS unter achtzig Grad Celsius ist.
  • Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen FCS, ein Luftregelsystem und eine Steuerung. Das Luftregelsystem umfasst einen Verdichter und ein Rückführventil in Fluidkommunikation mit dem FCS. Die Steuerung steuert den Betrieb des Luftregelsystems und ist so programmiert, dass sie in Reaktion auf eine Erkennung eines Kaltstartereignisses das Rückführventil öffnet, um Luft durch den Verdichter rückzuführen, um eine Temperatur der Luft zur Zufuhr zum FCS zu erhöhen. Das Fahrzeug kann ferner einen Sensor in Kommunikation mit der Steuerung umfassen, um thermische Bedingungen des FCS zu überwachen. Der Sensor kann in Reaktion darauf, dass thermische Bedingungen des FCS unter einer vorbestimmten Schwelle liegen, ein Kaltstartereignis-Erkennungssignal an die Steuerung senden. Die vorbestimmte Schwelle kann eine Temperatur sein, bei welcher Eisbedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle des FCS auftreten. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie eine Drehzahl des Verdichters in Reaktion auf eine Erkennung des Kaltstartereignisses erhöht, um eine Lastentnahme aus dem FCS zu erhöhen. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf ein Erkennen schließt, dass eine Temperatur des FCS über einer vorbestimmten Schwelle liegt. Die vorbestimmte Schwelle kann Temperaturen bei oder über achtzig Grad Celsius umfassen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Brennstoffzellenfahrzeugs veranschaulicht.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel einer Brennstoffzelle veranschaulicht.
  • 3 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Abschnitts eines Luftregelsystems eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
  • 4A bis 4H sind grafische Darstellungen eines Beispiels von Temperaturbedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle während eines Kaltstartereignisses.
  • 5 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel eines Abschnitts eines Luftregelsystems eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht.
  • 6A bis 6H sind grafische Darstellungen eines anderen Beispiels von Temperaturbedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle während eines Kaltstartereignisses.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Algorithmus für den Betrieb eines Luftregelsystems eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es werden hierin Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten von bestimmten Komponenten darzustellen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen Struktur- und Funktionsdetails nicht als einschränkend, sondern lediglich als repräsentative Basis für die Belehrung von Fachleuten über verschiedene Einsatzmöglichkeiten von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auszulegen. Wie für Durchschnittsfachleute zu erkennen ist, können verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu bilden, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale im Einklang mit den Lehren dieser Offenbarung gewünscht sein.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Brennstoffzellenfahrzeugs (FCV), das hierin allgemein als Fahrzeug 10 bezeichnet wird. Das Fahrzeug 10 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 12 umfassen, die mit einem Getriebe 14 mechanisch verbunden sind. Die Elektromaschinen 12 können fähig sein, als ein Motor oder ein Generator zu funktionieren. Das Getriebe 14 kann außerdem mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden sein, die mit einem Satz von Vorderrädern 22 mechanisch verbunden ist. Die Elektromaschinen 12 können Antriebs- und Entschleunigungsfähigkeit bereitstellen. Ein Brennstoffzellenstapelsystem 24 kann elektrischen Strom zum Speisen der Komponenten des Fahrzeugs 10 erzeugen. Zum Beispiel kann ein Wasserstoffzufuhrsystem mit dem Brennstoffzellenstapelsystem 24 zusammenarbeiten, um Wasserstoffgas und Sauerstoff in elektrischen Strom zum Speisen der Elektromaschinen 12 umzuwandeln. Der elektrische Strom kann als Last bezeichnet werden. Das Brennstoffzellenstapelsystem 24 kann eine oder mehrere Brennstoffzellen, wie beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle, umfassen, die einen Brennstoffzellenstapel bilden. Das Brennstoffzellenstapelsystem 24 kann außerdem ein Thermomanagementsystem und/oder ein Luftstromregelsystem umfassen. Das Thermomanagementsystem und/oder das Luftstromregelsystem können zum Beispiel einen Verdichter umfassen. Eine Leistungssteuereinheit 26 kann einen Elektrizitätsfluss innerhalb des Fahrzeugs 10 steuern. Zum Beispiel kann die Leistungssteuereinheit 26 den Elektrizitätsfluss zwischen dem Brennstoffzellenstapelsystem 24 und den Elektromaschinen 12 steuern. Ein Wasserstoffspeichertank 30 kann Wasserstoffgas zur Verwendung durch das Brennstoffzellenstapelsystem 24 speichern. Eine Hochleistungsbatterie 32 kann Energie speichern, die zum Beispiel von einem Rekuperationsbremssystem erzeugt wird, und sie kann zusätzliche Leistung für die Elektromaschinen 12 bereitstellen.
  • Die verschiedene zuvor beschriebenen Komponenten können eine oder mehrere assoziierte Steuerungen zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer PEM-Brennstoffzelle, die hierin allgemein als PEM-Brennstoffzelle 40 bezeichnet wird. De PEM-Brennstoffzelle 40 ist ein Beispiel für eine Brennstoffzelle, die in dem oben beschriebenen Brennstoffzellenstapelsystem 24 funktionieren kann. Die PEM-Brennstoffzelle 40 kann eine Anode 42, einen Elektrolyten 44 und eine Kathode 46 umfassen. Chemische Reaktionen können an Grenzflächen zwischen der Anode 42, dem Elektrolyten 44 bzw. der Kathode 46 auftreten. Zum Beispiel kann die Anode 42 einen Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, empfangen und den Brennstoff oxidieren, um den Brennstoff in ein positiv geladenes Ion und ein negativ geladenes Elektron umzuwandeln. Der Elektrolyt 44 kann die Ionen zur Kathode 46 durchtreten lassen, während er die Elektronen um den Elektrolyten 44 umleitet, um eine Last zu erzeugen. Die Elektronen können sich innerhalb der Kathode 46 wieder mit den Ionen vereinigen. Die Kathode 46 kann eine Chemikalie, wie beispielsweise Sauerstoff, empfangen, um mit den Ionen und Elektronen zu reagieren, um zum Beispiel Wasser oder Kohlendioxid zu erzeugen. Bipolarplatten 48 können beim Verteilen von Brennstoff und Oxidationsmittel innerhalb der PEM-Brennstoffzelle 40, Ermöglichen von Wassermanagement mit der PEM-Brennstoffzelle 40, Trennen von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels und Ermöglichen von Thermomanagement der PEM-Brennstoffzelle 40 mithelfen.
  • Luft- und Wassermanagement in Bezug auf ein System, das eine Brennstoffzelle umfasst, wie beispielsweise die PEM-Brennstoffzelle 40, kann eine Performance davon beeinträchtigen. Zum Beispiel können Elektroden der Brennstoffzelle durch flüssiges Wasser bei übermäßiger Hydratation über einen Normalzustand geflutet werden, was Brennstoffmangel, Zellenpotenzial oder Stromumkehr oder Korrosion der Elektroden und Bipolarplatten verursachen kann. Dagegen kann zu geringe Hydratation einen höheren Widerstand gegen Protonentransport in einer Membran, z. B. einem Elektrolyten, der Brennstoffzelle verursachen und Radikalfang der Membran fördern. Schwankungen eines Hydratationszustands des Systems können mechanische Spannungen in der Membran verursachen, die auch zu vorzeitigen Membrandefekten führen können. Brennstoffzellen-Start- und Abschaltbedingungen können auch auf dem Wassermanagement beruhen, insbesondere bei kalten Bedingungen. Bei bestimmten kalten Temperaturbedingungen kann Wasser in der Brennstoffzelle, einschließlich des Wassers, das durch die Brennstoffzelle bei Kaltstarts erzeugt wird, gefrieren, was Schwierigkeiten während des Startens bereitet. Steuerungsstrategien können Luftzirkulationsbedingungen während des Betriebs des Systems durch ein Anpassen von Temperaturen, Durchsätzen, Drücken und Entnahme elektrischen Stroms zum Verbessern der Performance und Verlängern einer Lebensdauer des Systems ändern.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Abschnitts eines Zirkulationskreislaufs eines Luftregelsystems für einen Brennstoffzellenstapel, das hierin als Luftregelsystem 100 bezeichnet wird. Das Luftregelsystem 100 kann einen Verdichter 104 umfassen, der stromaufwärts eines Brennstoffzellenstapels 108 positioniert ist. Kalte Umgebungsluft 110 kann über ein Filter 112 in das Luftregelsystem 100 eintreten. Ein Luftmassenstromsensor 114 kann eine Menge von Luft messen, die dadurch durchströmt. Luft kann vom Verdichter 104 über ein Kathoden-Sperrventil 118 zu einem Zwischenkühler 116 strömen. Ein Stapel-Bypassventil 120 kann einen Teil der Luft umleiten, die zu einer Befeuchtungseinrichtung 124 auf dem Weg zum Brennstoffzellenstapel 108 strömt. Entsprechend stellt der Luftmassenstromsensor 114 keinen genauen Durchsatz von Luft bereit, die in den Brennstoffzellenstapel 108 eintritt. Der Brennstoffzellenstapel 108 kann Leistung an einen Inverter 130 auf dem Weg zu einem Elektromotor 132 übertragen. Der Brennstoffzellenstapel 108 kann außerdem Hochspannungsleistung für andere Fahrzeugkomponenten ausgeben. Ein Gemisch aus Elementen, wie beispielsweise sauerstoffabgereicherter Luft, Wasserdampf und flüssigem Wasser, das aus dem Brennstoffzellenstapel 108 austritt, kann durch einen Kondensator 136 auf dem Weg zu einer Flüssigkeitsabscheideeinrichtung 138 durchströmen. Die Flüssigkeitsabscheideeinrichtung 138 kann beim Entfernen von Flüssigkeit mithelfen, die im Elementengemisch enthalten ist. Die restlichen Teile des Elementengemischs können dann durch eine Expansionseinrichtung 140 auf dem Weg zum Austritt aus dem Luftregelsystem 100 strömen. Eine Deionatpumpe 144 kann beim Übertragen von Wasser vom Kondensator 136 zur Befeuchtungseinrichtung 124 mithelfen. Das Luftregelsystem 100 kann sich während eines Kaltstartereignisses aufgrund einer Temperatur von Luft, die in den Brennstoffzellenstapel 108 eintritt, und aufgrund der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 108 betrieblichen Schwierigkeiten gegenübersehen.
  • 4A bis 4H zeigen ein grafisches Beispiel für Temperatur innerhalb einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 108 bei Empfang von kalter Luft zu einem bestimmten Zeitpunkt nach einem Kaltstart. Eine X-Achse 151 stellt einen Abstand von einem Einlass der Brennstoffzelle dar, und eine Y-Achse 153 stellt die Temperatur des aktiven Bereichs der Brennstoffzelle dar. In diesem Beispiel treten Kühlmittel, Luft und Wasserstoff von der linken Seite in die Grafiken ein. Wenn Wasser aus der Leistungsproduktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, bringt kaltes Kühlmittel, das von links eintritt, das Produktwasser ausgehend von links (einer Stelle, an der das Kühlmittel am kältesten wäre) zum Gefrieren. Der gefrorene Wasserblock blockiert Reaktionsstellen, wodurch weitere Leistungserzeugung an den Reaktionsstellen verhindert wird. Aufgrund einer konstanten Leistungslast auf die Brennstoffzelle während des Kaltstartereignisses nehmen Stromdichte und daher Temperaturen für den restlichen ungefroren aktiven Bereich zu, um die Gesamtleistungserzeugung konstant zu halten. Die Grafiken von 4A bis 4H zeigen den aktiven Bereich der Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellen weisen jedoch einen Rahmen auf, der den aktiven Bereich umgibt. Ein Abfall entlang der Kanten, der zu einer Spitze in der Nähe der Mitte führt, ist auf eine thermische wirksame Masse des Rahmens zurückzuführen, der den aktiven Bereich der Brennstoffzelle umgibt. Der Rahmen ist kalt und entzieht dem aktiven Bereich Wärme. Daher der Temperaturabfall rechts von der Spitze. In einem extremen Fall gefriert der gesamte aktive Bereich, wodurch jegliche Leistungserzeugung verhindert wird. In diesem Fall startet das System erst, wenn es auftaut. Zum Beispiel bezieht sich 4A auf Temperaturbedingungen bei null Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 152 dargestellt sind. 4B bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei zehn Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 154 dargestellt sind. 4C bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei zwanzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 156 dargestellt sind. 4D bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei dreißig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 158 dargestellt sind. 4E bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei vierzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 160 dargestellt sind. 4F bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei fünfzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 162 dargestellt sind. 4G bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei sechzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 164 dargestellt sind. 4H zeigt einen Vergleich der Temperaturbedingungen bei jedem der Zeitintervalle von 4A bis 4G. Luft, die in den Einlass auf einer Einlassseite der Brennstoffzelle eintritt, kann in einem Abschnitt der Brennstoffzelle aufgrund begrenzter Wärme, die zum Erhöhen der Temperatur davon verfügbar ist, zu Eisbedingungen führen. Temperaturen, welche sich auf die Brennstoffzellen-Performance negativ auswirken, umfassen Temperaturen nahe oder unter dem Gefrierpunkt. Zum Beispiel kann die Brennstoffzelle Wasser enthalten, das aufgrund von Außentemperaturen gefroren sein kann, oder das aufgrund der Einführung der kalten Luft gefrieren kann. Diese Eisbedingungen können den Start verlangsamen und unter bestimmten Bedingungen den Start überhaupt verhindern. Das Anpassen einer Zirkulation von Luft zum Verdichter, um eine Temperatur der Luft zu erhöhen, ist ein Beispiel einer Strategie zum Verringern oder Beseitigen der Eisbedingungen, die bei oder während eines Kaltstarts eines Fahrzeugs auftreten.
  • 5 zeigt ein Beispiel eines Luftregelsystems für einen Brennstoffzellenstapel, das hierin als Luftregelsystem 200 bezeichnet wird. Im Gegensatz zum Luftregelsystem 100 umfasst das Luftregelsystem 200 ein Rückführventil 202 und weist kein Stapel-Bypassventil auf. Das Luftregelsystem 200 funktioniert so, dass es beim Steuern thermischer Bedingungen eines Brennstoffzellenstapels 204 mithilft. Der Brennstoffzellenstapel 204 kann über einen Inverter 208 mit einem Elektromotor 206 in Kommunikation sein. Der Brennstoffzellenstapel 204 kann Hochspannung zum Betrieb von Fahrzeugkomponenten ausgeben. Umgebungsluft 210 kann über ein Filter 212 in das Luftregelsystem 200 eintreten. Ein Luftmassenstromsensor 214 kann zwischen dem Filter 212 und einem Verdichter 216 angeordnet sein. Der Luftmassenstromsensor 214 kann einen Durchsatz von Luft messen, die innerhalb des Luftregelsystems 200 und zum Brennstoffzellenstapel 204 strömt.
  • Das Rückführventil 202 kann Luft von einem Auslass des Verdichters 216 zu einem Einlass des Verdichters 216 zurückführen. Das Rückführventil 202 kann mit dem Verdichter 216 angeordnet sein, um eine Temperatur von dadurch durchströmender Luft zu erhöhen. Das Rückführventil 202 kann inner- oder außerhalb des Verdichters 216 sein. Ein Verkürzen einer Länge einer Leitung zwischen dem Rückführventil 202 und dem Verdichter 216 kann eine Temperatur der dadurch durchströmenden Luft weiter erhöhen. Im Gegensatz zu einer Luftregelungskonfiguration, die ein Stapel-Bypassventil, wie beispielsweise das im Luftregelsystem 100 enthaltene Stapel-Bypassventil 120, umfasst, liefert der Luftmassenstromsensor 214 in diesem Beispiel genauere Messwerte einer Luftstrommenge, die durch den Brennstoffzellenstapel 204 empfangen wird, da es kein Bypassventil gibt, das einen Teil der Luft vom Brennstoffzellenstapel 204 weg umleitet.
  • Ein Zwischenkühler 224 kann stromabwärts des Rückführventils 220 angeordnet sein. Der Zwischenkühler 224 kann flüssiges Kühlmittel enthalten, um thermische Bedingungen eintretender Luft zu steuern, die durch den Verdichter 216 verdichtet wurde. Zum Beispiel kann Luft, die in den Zwischenkühler 224 eintritt, eine Temperatur von einhundert Grad Celsius aufweisen, und eine gewünschte Temperatur von Luft zur Einführung in den Brennstoffzellenstapel 204 kann ungefähr achtzig Grad Celsius betragen. Optional kann der Zwischenkühler 224 ausgeschaltet werden, wie beispielsweise während eines Kaltstartereignisses. Luft kann vom Zwischenkühler 224 zu einer Befeuchtungseinrichtung 228 durchströmen. Die Befeuchtungseinrichtung 228 kann einen Feuchtigkeitsgehalt der Luft vor ihrem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 204 steuern. Zum Beispiel kann bei Anweisung einer Deionatpumpe 230 Wasser zur Befeuchtungseinrichtung 228 geliefert werden. Optional kann die Befeuchtungseinrichtung 228 unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise bei einem Kaltstartereignis, ausgeschaltet werden. Der Brennstoffzellenstapel 204 verteilt nach der Energieerzeugung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 204 ein Gemisch aus Elementen an einen Kondensator 234. Das Elementengemisch kann sauerstoffabgereicherte Luft, Wasserdampf und flüssiges Wasser umfassen. Teile des Elementengemischs werden innerhalb des Kondensators 234 auf eine flüssige Form reduziert und dann über eine Flüssigkeitsabscheideeinrichtung 238 aus dem System abgeschieden oder zu einer Befeuchtungseinrichtung 228 rückgeführt, wie durch die Deionatpumpe 230 angewiesen. Ein restlicher Teil des Elementengemischs strömt zu einer Expansionseinrichtung 240 und/oder einem Auslass-Drosselklappenventil vor der Entleerung aus dem Luftregelsystem 200.
  • Ein oder mehrere Sensoren können im ganzen Luftregelsystem 200 angeordnet sein, um Informationen in Bezug auf thermische Bedingungen für eine Steuerung bereitzustellen. Die Steuerung kann mit den Komponenten des Luftregelsystems 200 in Kommunikation sein, um den Betrieb davon steuern. Zum Beispiel kann die Steuerung in elektrischer Kommunikation mit dem einen oder den mehreren Sensoren sein, um Signale davon zu empfangen. Ein erster Sensor 242 kann sich zwischen dem Rückführventil 202 und dem Zwischenkühler 224 befinden. Der erste Sensor 242 kann Signale an die Steuerung senden, die zum Beispiel eine Temperatur oder einen Durchsatz der Luft anzeigen, die aus dem Rückführventil 202 strömt. Ein zweiter Sensor 244 kann sich zwischen der Befeuchtungseinrichtung 228 und dem Brennstoffzellenstapel 204 befinden. Der zweie Sensor 244 kann Signale an die Steuerung senden, die zum Beispiel eine Temperatur oder einen Durchsatz der Luft anzeigen, die zum Brennstoffzellenstapel 204 strömt. Die Steuerung kann so programmiert sein, dass sie Betätigung des Rückführventils 202 basierend auf Signalen anweist, die vom ersten Sensor 242 und dem zweiten Sensor 244 empfangen werden. Zum Beispiel kann die Steuerung so programmiert sein, dass sie Betätigung des Rückführventils 202 zum Rückführen von Luft durch den Verdichter 216 basierend auf thermischen Bedingungen, die durch den ersten Sensor 242 und den zweiten Sensor 244 erkannt werden, anweist, um Luft auf dem Weg zum Brennstoffzellenstapel 204 zu erwärmen. Die Steuerung kann so programmiert sein, dass sie Betätigung des Rückführventils 202 zum schrittweisen Öffnen oder Schließen basierend auf thermischen Bedingungen, die durch den ersten Sensor 242 und den zweiten Sensor 244 erkannt werden, anweist, um Luft auf dem Weg zum Brennstoffzellenstapel 204 zu erwärmen.
  • 6A bis 6H zeigen eine grafische Darstellung eines Beispiels von Temperaturbedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 204, unter welchen die Brennstoffzelle Luft nach einer Rückführung durch einen Verdichter, wie beispielsweise einer Rückführung von Luft durch den Verdichter 216 über das Rückführventil 202, empfängt. Ähnlich 4A bis 4H stellt eine X-Achse 251 den Abstand von einem Einlass der Brennstoffzelle dar, und eine Y-Achse 253 stellt die Temperatur dar. Luft, die in den Einlass auf einer Einlassseite der Brennstoffzelle eintritt, ist aufgrund der Rückführung durch den Verdichter vergleichsweise wärmer als bei dem in 4A bis 4H dargestellten Szenario. Zum Beispiel kann die Luft bei einer Temperatur bei oder nahe achtzig Grad Celsius sein. In diesem Beispiel ist die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 204 bei jedem der Zeitintervalle mit höheren Temperaturen gegenüber der Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 108 dargestellt. Die höheren Temperaturen innerhalb der Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 204 wirken sich positiv auf seine Performance aus. Wie in 6A bis 6H führt ein Anpassen einer Zirkulation von Luft zum Verdichter 216 zu einer Lieferung wärmerer Luft zur Brennstoffzelle und eliminiert mögliche Eisbedingungen. Zum Beispiel bezieht sich 6A auf Temperaturbedingungen bei null Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 252 dargestellt sind. 6B bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei zehn Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 254 dargestellt sind. 6C bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei zwanzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 256 dargestellt sind. 6D bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei dreißig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 258 dargestellt sind. 6E bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei vierzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 260 dargestellt sind. 6F bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei fünfzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 262 dargestellt sind. 6G bezieht sich auf Temperaturbedingungen bei sechzig Sekunden, die durch eine Temperaturkurve 264 dargestellt sind. 6H zeigt einen Vergleich der Temperaturbedingungen bei jedem der Zeitintervalle von 6A bis 6G.
  • 7 zeigt ein Beispiel für einen Algorithmus für eine Steuerungsstrategie eines Luftregelsystems, wie beispielsweise des Luftregelsystems 200, der allgemein als Algorithmus 300 bezeichnet wird. Bei Operation 304 kann eine Steuerung bestimmen, ob ein Kaltstartereignis eingetreten ist. Zum Beispiel können ein oder mehrere Sensoren des Luftregelsystems Signale in Bezug auf thermische Bedingungen von Komponenten des Luftregelsystems an die Steuerung senden. Falls ein Sensor des einen oder der mehreren Sensoren kein Kaltstartereignis erkennt, kann die Steuerung bei Operation 306 den Verdichter anweisen, normal zu funktionieren. Fall ein Sensor des einen oder der mehreren Sensoren ein Eintreten eines Kaltstartereignisses anzeigt, dann kann die Steuerung bei Operation 310 einen Brennstoffzellenstapelsensor prüfen, um zu bestimmen, ob eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels über oder unter einer vorbestimmten Schwelle liegt. Ein Beispiel der vorbestimmten Schwelle kann Temperaturen bei oder unter Normalbetriebstemperatur, wie beispielsweise achtzig Grad Celsius, für schnelleres Warmlaufen oder unter dem Gefrierpunkt im Falle eines Kaltstarts umfassen.
  • Falls der Brennstoffzellenstapelsensor anzeigt, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter der vorbestimmten Schwelle liegt, kann die Steuerung bei Operation 314 einen Verdichter des Luftregelsystems anweisen, die Drehzahl zu erhöhen, und ein Rückführventil anweisen, zu öffnen oder schrittweise zu öffnen. Das Rückführventil kann an einer derartigen Stelle in Bezug auf den Verdichter sein, dass das Rückführventil Luft, die aus einem Auslass des Verdichters austritt, zu einem Einlass des Verdichters umleitet. Optional können das Rückführventil und der Verdichter eine einzige Komponente sein. Wenn die Luft durch den Verdichter rückgeführt wird, kann die Luft an Energie zunehmen und folglich einen Temperaturanstieg erfahren, um wärmere Luft für den Brennstoffzellenstapel bereitzustellen. Falls der Brennstoffzellenstapelsensor anzeigt, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels über der vorbestimmten Schwelle liegt, kann die Steuerung bei Operation 316 den Verdichter anweisen, die Drehzahl herabzusetzen, und das Rückführventil anweisen, zu schließen oder schrittweise zu schließen.
  • Bei Operation 320 kann ein Sensor einen Massendurchsatz und/oder einen Druck von Luft messen, die vom Verdichter zum Brennstoffzellenstapel strömt. Falls der Massendurchsatz und/oder der Druck unter einer vorbestimmten Durchsatzschwelle liegen, kann die Steuerung den Verdichter anweisen, die Drehzahl zu erhöhen. Falls der Massendurchsatz und/oder der Druck über der vorbestimmten Durchsatzschwelle liegen, kann die Steuerung den Verdichter anweisen, die Drehzahl herabzusetzen. Diese Anordnung sorgt dafür, dass der Verdichter bei einer höheren Drehzahl mit einem höheren Durchsatz läuft, während der Brennstoffzellenstapel Luft nur bei einem Durchsatz empfängt, der für optimale Performance vorzuziehen ist. Wenn ferner der Verdichter die Drehzahl erhöht, entsteht zusätzlicher Leistungsverbrauch, der außerdem den Brennstoffzellenstapel veranlasst, härter zu arbeiten und mehr innere Wärme zu erzeugen, um beim Ermöglichen eines schnelleren Warmlaufens mitzuhelfen. Die vorbestimmte Durchsatzschwelle kann auf einem optimalen Durchsatz und einem optimalen Druck des Systems basieren, damit der Brennstoffzellenstapel auf einem gewünschten Performance-Level funktioniert.
  • Obwohl in einer Umgebung für ein Fahrzeug beschrieben, können die hierin beschriebenen Ausführungsformen von Luftregelsystemen auch bei stationärer Erzeugung elektrischer Leistung, Luftfahrzeugen oder anderen Anwendungen, die ein Luftregelsystem und einen Brennstoffzellenstapel umfassen, verwendet werden.
  • Obwohl vorstehend mehrere Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Ansprüche erfasst werden. Die in der Spezifikation verwendeten Wörter sind beschreibende statt einschränkende Wörter, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie bereits erwähnt, können die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht werden. Für Durchschnittsfachleute ist zu erkennen, dass, obwohl verschiedene Ausführungsformen so hätten beschrieben werden können, dass sie gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Charakteristiken Vorteile bereitstellen oder bevorzugt werden, auf ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Charakteristiken verzichtet werden kann, um gewünschte Gesamtsystemeigenschaften zu erreichen, welche von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Eigenschaften können Vermarktbarkeit, Erscheinung, Konsistenz, Robustheit, Verbraucherakzeptanz, Zuverlässigkeit, Genauigkeit usw. umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein. Entsprechend liegen Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehr Charakteristiken beschrieben wurden, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims (14)

  1. Luftstromregelverfahren eines Luftregelsystems für einen Brennstoffzellenstapel (FCS), umfassend: Öffnen eines Rückführventils durch eine Steuerung zum Rückführen von Luft durch einen Verdichter in Reaktion auf eine Identifikation eines Kaltstartereignisses, um eine Temperatur der Luft vor ihrem Eintritt in den FCS zu erhöhen, um eine FCS-Temperatur unter einer vorbestimmten Schwelle auszugleichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters während der Rückführung der Luft, um eine Temperatur davon weiter zu erhöhen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters auf eine konstante Drehzahl und derartiges Ändern einer Betriebsstellung des Rückführventils, dass ein konstanter Massendurchsatz von Luft zum FCS erreicht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Basieren einer Betriebsstellung des Rückführventils auf Daten aus einer zugreifbaren Tabelle, welche Ventilstellungen in Bezug auf FCS-Temperatureinstellungen entsprechen, und Erhöhen einer Verdichterdrehzahl basierend auf den Daten, um die FCS-Temperatur über die vorbestimmte Schwelle zu erhöhen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters entsprechend einer zusätzlichen Leistungsentnahme aus dem FCS, um die erhöhte Drehzahl zu unterstützen und die Temperatur des FCS weiter zu erhöhen.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters basierend auf einer Erkennung, dass ein Massendurchsatz der zum FCS strömenden Luft unter einer vorbestimmten Durchsatzschwelle liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Identifizieren des Kaltstartereignisses als ein Ereignis, bei welchem Temperaturbedingungen des FCS bei oder nahe dem Gefrierpunkt sind.
  8. Brennstoffzellenstapel(FCS)-Luftregelsystem, umfassend: einen Verdichter; ein Rückführventil, das mit dem Verdichter angeordnet ist, um Luft dadurch rückzuführen; einen FCS, der mit dem Verdichter und dem Rückführventil angeordnet ist, um selektiv Luft davon zu empfangen; einen Sensor zum Messen von thermischen Bedingungen des FCS; und eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie Signale vom Sensor empfängt, welche thermische Bedingungen des FCS anzeigen, und das Rückführventil basierend auf den Signalen betätigt, um Luft durch den Verdichter rückzuführen, um eine Temperatur der Luft vor ihrem Eintritt in den FCS zu erhöhen.
  9. System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie das Rückführventil basierend auf einer Erkennung eines Verdichterpumpereignisses öffnet.
  10. System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf den Empfang eines Signals vom Sensor öffnet, das anzeigt, dass eine Temperatur des FCS unter einer vorbestimmten Schwelle liegt.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Schwelle eine Temperatur ist, die dem FCS mit Eisbedingungen darin entspricht.
  12. System nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Schwelle eine Temperatur ist, die einem Kaltstartereignis entspricht.
  13. System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf den Empfang eines Signals vom Sensor schließt, das anzeigt, dass eine Temperatur des FCS über einer vorbestimmten Schwelle liegt.
  14. System nach Anspruch 8, wobei die Steuerung ferner so konfiguriert ist, dass sie das Rückführventil in Reaktion auf den Empfang eines Temperaturmesswerts vom Sensor öffnet, der anzeigt, dass Luft innerhalb des FCS unter achtzig Grad Celsius ist.
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