DE102018110807A1 - Modellierung und nutzung eines virtuellen temperatursensors am wirkraumauslass eines brennstoffzellenstapels mit stapelkühlmittel-bypass - Google Patents

Abstract

Das Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem beinhaltet eine Kühlmittelquelle, die Kühlmittel in einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und einer anfänglichen Kühlmitteltemperatur bereitstellt. Eine Strömungsfeldplatte definiert periphere Strömungskanäle und Wirkflächen-Strömungskanäle, durch die Kühlmittel strömt. Die Strömungsfeldplatte ist in einem Brennstoffzellenstapel zwischen einzelnen Brennstoffzellen positioniert. Eine Gesamt-Kühlmittelströmung, die dem gemeinsamen Eingang bereitgestellt wird, teilt sich in eine Bypassströmung, durch die die peripheren Strömungskanäle fließen, und eine Wirkflächenströmung, durch die Wirkflächen-Strömungskanäle fließen. Die Bypassströmung wird mit der Wirkflächenströmung verbunden, um aus dem gemeinsamen Ausgang mit einer Ausgangs-Kühlmitteltemperatur herauszufließen. Das Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem beinhaltet einen Temperatursensor, der die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur vom gemeinsamen Ausgang misst. Schließlich schätzt eine Temperatur-Schätzeinrichtung eine Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur aus der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• In mindestens einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung bezogen auf Verfahren und Systeme zum Ermitteln und Steuern von Brennstoffzellenstapel-Temperaturen und insbesondere, der Temperatur des Kühlmittels nahe der Wirkfläche der Brennstoffzelle, die nicht direkt gemessen werden kann.
• HINTERGRUND
• Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen als elektrische Energiequelle verwendet. Es wird insbesondere vorgeschlagen, als Ersatz für Verbrennungsmotoren Brennstoffzellen in Automobilen einzusetzen. Für den Ionentransport zwischen Anode und Kathode arbeitet eine häufig verwendete Brennstoffzellenausführung mit einer Festpolymerelektrolytmembran („Solid Polymer Electrolyte, SPE“) oder einer Protonenaustauschmembran („Proton Exchange Membrane, PEM“).
• In Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen wird Wasserstoff der Anode als Brennstoff zugeführt, und Sauerstoff wird der Kathode als Oxidationsmittel zugeführt. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membran-Elektroden-Einheit („Membrane Elektrode Assembly, MEA“), in der eine feste Polymermembran (d. h. Ionenleitmembran) auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite einen Kathodenkatalysator aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie beispielsweise gewebtem Graphit, graphitisierten Blättern oder Kohlepapier, damit der Kraftstoff über die Oberfläche der Membran dispergieren kann, die der Kraftstoffversorgungselektrode zugewendet ist. Jede Elektrode weist zur Förderung der Oxidation von Wasserstoff an der Anode und der Reduktion von Sauerstoff an der Kathode fein verteilte Katalysatorpartikel (z. B. Platinpartikel) auf, die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden. Protonen fließen von der Anode durch die ionisch leitfähige Polymermembran zu der Kathode, wo sie mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das aus der Zelle ausgeleitet wird. Die MEA ist zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL“) angeordnet, die wiederum zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Strömungsfeldplatten angeordnet sind. Die Platten fungieren als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode und enthalten darin ausgebildete geeignete Kanäle und Öffnungen zur Verteilung eines flüssigen Kühlmittels und der gasförmigen Reaktanten des Brennstoffs über die Oberfläche der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren. Um effizient Elektrizität zu produzieren, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasundurchlässig sein. In typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Anordnungen von vielen einzelnen Brennstoffzellenstapeln vorgesehen, um ein hohes Maß an elektrischer Energie bereitzustellen.
• In einigen Strömungsfelddesigns gibt es eine flüssige Kühlmittel-Bypassströmung, die verwendet wird, um die Brennstoffzelle an dem Umfang zu kühlen, der zwischen Platten abgedichtet ist. In diesem Aufbau wird die Kühlmitteltemperaturregelung durch unterschiedliche Temperaturen zwischen dem Kühlmittel, das durch periphere Kanäle im Strömungsfeld fließt, und den inneren Kanälen, die sich nahe der Wirkfläche der Brennstoffzelle befinden, kompliziert. In einigen frühen Konstruktionen ist keine Kühlmittel-Bypassströmung vorhanden, deshalb ist die Stapel-Temperaturregelung relativ einfach.
• Dementsprechend besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren und Systemen zum Steuern der Brennstoffzellenstapel-Temperaturen.
• KURZDARSTELLUNG
• Die vorliegende Erfindung löst eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellen, in mindestens einer Ausführungsform, eines Verfahrens zur Herstellung eines Brennstoffzellen-Temperaturmesssystems. Das Brennstoffzellen-Messsystem beinhaltet eine Kühlmittelquelle, die Kühlmittel in einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und eine anfängliche Kühlmitteltemperatur bereitstellt. Eine Strömungsfeldplatte definiert die Kühlmittel-Strömungskanäle, durch die das Kühlmittel strömt. Die Kühlmittel-Strömungskanäle beinhalten periphere Strömungskanäle und Wirkflächen-Strömungskanäle. Die peripheren Strömungskanäle und die Wirkflächen-Strömungskanäle divergieren an einem gemeinsamen Eingang und konvergieren zu einem gemeinsamen Ausgang. Die Strömungsfeldplatte ist in einem Brennstoffzellenstapel zwischen einzelnen Brennstoffzellen positioniert. Eine Eingangs-Kühlflüssigkeit mit einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate, die am gemeinsamen Eingang bereitgestellt wird, teilt sich in eine Bypassströmung, die durch die peripheren Strömungskanäle mit einer Bypass-Kühlmitteldurchflussrate und einer Bypass-Kühlmitteltemperatur fließt, und eine Wirkflächenströmung, die durch die Wirkflächen-Strömungskanäle mit einer Wirkflächendurchflussrate und einer Wirkflächentemperatur fließt. Die Bypassströmung wird mit der Wirkflächenströmung kombiniert, um aus dem gemeinsamen Ausgang als Ausgangskühlmittel mit einer Ausgangs-Kühlmitteltemperatur herauszufließen. Das Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem beinhaltet einen Temperatursensor, der die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur vom gemeinsamen Ausgang misst. Schließlich schätzt eine Temperatur-Schätzeinrichtung eine Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur aus der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur.
• Figurenliste
• 1 ist ein schematischer Querschnitt eines Brennstoffzellenstapels, der ein Temperaturmesssystem einbeziehen kann;
• 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Brennstoffzelle, die im Brennstoffzellenstapel in 1 verwendet wird;
• 3 stellt eine grafische CFD-Darstellung der Stapel-Wirkflächentemperatur unter Verwendung eines Energiebilanzmodells bereit;
• 4 ist ein schematischer Querschnitt eines Brennstoffzellen-Temperaturmesssystems;
• 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern der Wirkflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels veranschaulicht;
• 6 stellt Temperatursteuerungs-Simulationsdaten, basierend auf der Wirkflächentemperatur, bereit; und
• 7 stellt ein Flussdiagramm bereit, das die Implementierung eines Druckschätzverfahrens zeigt.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der Erfindung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für die verschiedenen Aspekte der Erfindung und/oder als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
• Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle numerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitest möglichen Umfang der Erfindung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen numerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner versteht sich, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: alle R-Gruppen (z. B. R_i, wobei i eine ganze Zahl ist) enthalten Alkyl, niedrigeres Alkyl, C_1-6-Alkyl, C_6-10-Aryl oder C_6-10-Heteroaryl; einzelne Buchstaben (z. B. „n“ oder „o“) sind 1, 2, 3, 4 oder 5; Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; der Begriff „Polymer“ enthält „Oligomer“, „Copolymer“, „Terpolymer“ und dergleichen; die Molekulargewichte für jegliches Polymer betreffen das gewichtsmittlere Molekulargewicht, sofern nicht anders angegeben; wenn eine Gruppe oder Klasse von Materialien für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der Erfindung als geeignet oder bevorzugt beschrieben wird, bedeutet das, dass Mischungen von zwei oder mehreren Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die Beschreibung der Bestandteile in chemischen Begriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt der Hinzufügung zu einer in der Beschreibung angegebenen Kombination und schließt nicht unbedingt chemische Interaktionen zwischen den Bestandteilen einer Mischung aus, wenn sie einmal gemischt ist; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt auch für normale grammatische Varianten der anfangs definierten Abkürzung entsprechend; und schließlich wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, eine Eigenschaft anhand derselben Technik gemessen, wie vorher oder nachher für die gleiche Eigenschaft angegeben.
• Es versteht sich ferner, dass diese Erfindung nicht auf die bestimmten Ausführungen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten bzw. Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hier verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungen der vorliegenden Erfindung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
• Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, auch die Pluralreferenz umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
• Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
• Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Hauptteils eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach der Einleitung zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist; wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.
• Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
• Mit Bezug auf die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“, wobei einer dieser drei Begriffe hierin verwendet wird, kann der aktuell offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung von einem der anderen zwei Terme beinhalten.
• Mit Bezug auf die 1 und 2 sind schematische Darstellungen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel mit Temperaturmesssystem vorgesehen. 1 ist ein schematischer Querschnitt eines Brennstoffzellenstapels, der ein Temperaturmesssystem einbeziehen kann. 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Brennstoffzelle, die in dem Brennstoffzellenstapel in 1 verwendet wird. Brennstoffzellenstapel 10 beinhaltet eine Vielzahl von Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellen 12. Typischerweise kann ein Brennstoffzellenstapel 10 bis 30 oder mehr einzelne Brennstoffzellen einschließen. Die Brenngase (z. B. Wasserstoffgas), sauerstoffhaltiges Gas (z. B. Luft, O₂ usw.) und Kühlmittel, (z. B. Wasser) sind an den Kopfteilen 14 und 16 bereitgestellt. Die Brennstoffzelle 12 beinhaltet eine polymere ionenleitende Membran 22, die zwischen Kathodenkatalysatorschicht 24 und Anodenkatalysatorschicht 26 angeordnet ist. Brennstoffzelle 12 umfasst auch Strömungsfelder 28, 30, Gaskanäle 32 und 34 und Gasdiffusionsschichten 36 und 38. In einer verfeinerten Ausführung sind die Strömungsfelder 28, 30 bipolare Platten mit jeweils einer Anoden- und einer Kathodenseite. Insbesondere werden die Strömungsfelder 28, 30 durch Kombinieren einer Anoden-Strömungsfeldplatte und einer Kathoden-Strömungsfeldplatte gebildet. Kühlmittel wird durch die Kühlkanäle 40 zugeführt. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird der Strömungsfeldplatte 28 auf der Anodenseite ein Brennstoff, wie Wasserstoff, zugeführt, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, wird der Strömungsfeldplatte 30 auf der Kathodenseite zugeführt. Wasserstoffionen, die durch die Anodenkatalysatorschicht 26 erzeugt werden, wandern durch die polymere ionenleitende Membran 22, wo sie auf der Kathodenkatalysatorschicht 24 reagieren und zu Wasser werden. Dieser elektrochemische Prozess erzeugt einen elektrischen Strom durch eine Last, die mit den Strömungsfeldplatten 28 und 30 verbunden ist.
• Unter Bezugnahme auf 3 ist ein rechnerisches Strömungsdynamik (CFD)-Diagramm der Stapel-Wirkflächentemperatur, unter Verwendung eines Energiebilanzmodells vorgesehen. 3 zeigt, dass die Wirkflächentemperatur der Brennstoffzellen 5-6 °C höher ist als die stromabwärtige Kühlmittel-Ausgangstemperatur. Das Temperaturmesssystem unten befasst sich direkt mit den potenziell schädlichen Auswirkungen dieser Temperaturerhöhung. Die Strömungsfelddesigns haben eine Metallsickendichtung von 15 % bis 30 % der Kühlmittel-Bypassströmung an der Platte und dieser Bypass ergibt die Wirkflächen-Ausgangstemperatur, die die stromabwärtige Kühlmittel-Ausgangstemperatur an T167 überschreitet.
• Mit Bezug auf 4 ist ein schematischer Querschnitt eines Brennstoffzellen-Temperaturmesssystems bereitgestellt. Das Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem 40 beinhaltet eine Kühlmittelquelle 42, die Kühlmittel in einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und eine anfängliche Kühlmitteltemperatur bereitstellt. Temperatursensor 44 misst die anfängliche Kühlmitteltemperatur. Die Strömungsfeldplatte 48 definiert die Kühlmitteldurchflusskanäle 50, 52, durch die das flüssige Kühlmittel fließt, wie oben bezüglich der Beschreibung der 1 und 2 dargelegt. Die peripheren Strömungskanäle 50 stellen kollektiv die Kühlkanäle dar, die um den Umfang des Strömungsfeldes 48 fließen. Die Wirkflächen-Strömungskanäle 52 stellen kollektiv die Kühlkanäle dar, die über die Wirkflächen der Brennstoffzelle fließen, wobei die elektrochemische Stromerzeugung stattfindet. Die peripheren Strömungskanäle 50 divergieren von einem gemeinsamen Eingang 56 und konvergieren zum gemeinsamen Ausgang 58. Typischerweise ist die Strömungsfeldplatte 48 in einem Brennstoffzellenstapel zwischen einzelnen Brennstoffzellen positioniert, wie in 1 und 2 dargestellt. Die anfängliche Kühlmittelströmung 58 weist eine Gesamt-Kühlmittelströmung m₁ und Temperatur T₁ auf und ist für den gemeinsamen Eingang 56 vorgesehen, an dem er sich in eine Bypassströmung 62, die durch die peripheren Strömungskanäle 50 mit einer Bypass-Kühlmitteldurchflussrate m₂ und einer Bypass-Kühlmitteltemperatur T₂ fließt, und eine Wirkflächenströmung 64, die durch die Wirkflächen-Strömungskanäle 52 mit einer Wirkflächendurchflussrate m3 und einer Wirkflächentemperatur T₃ fließt, unterteilt. Die Bypassströmung wird mit der Wirkflächenströmung kombiniert, um aus dem gemeinsamen Ausgang 58 als wieder zusammengeführte Kühlmittelströmung 66 mit einer kombinierten Durchflussrate m₁ und einer Ausgangs-Kühlmitteltemperatur T₃ herauszufließen. Es sollte erwähnt werden, dass der Durchfluss der anfänglichen Kühlmittelströmung 60 und die Zusammenführung der Kühlmittelströmung 66 aufgrund der Strömungskontinuität als gleich angesehen werden können. Ein Temperatursensor 68 misst die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur T₃ vom gemeinsamen Ausgang 58. Die Temperatur-Schätzeinrichtung 70 schätzt eine Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur aus der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur T₃, wie nachstehend genauer erläutert. Die Temperatur-Schätzeinrichtung70 kann eine Computerprozessorsteuerung oder eine proportional-Integral-Ableitungssteuerung (PID) sein. In einer verfeinerten Ausführung ist der Temperatursensor 68 Teil einer Temperatursteuerung 72, die in der Lage ist, die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur T₃ zu steuern, wenn diese unterhalb eines vordefinierten Sollwerts T_sp liegt, wie es nachfolgend genauer erläutert wird. Die Temperatur des Kühlmittels (z. B. die Kühlmitteltemperatur an der Wirkfläche) wird über Rückkopplungsschleife 76 gesteuert/eingestellt, die zum Steuern eines Temperatureinstellungs-Effektors verwendet wird, wie das Kühlmittel-Mischventil 78 und/oder der Kühlerlüfter 80 zum Einstellen der Temperatur des flüssigen Kühlmittels.
• In einer Variation beinhaltet das Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem 40 auch einen Drucksensor 76 zum Messen des Drucks des flüssigen Kühlmittels bei oder nach dem gemeinsamen Ausgang 58. Die Druck-Schätzeinrichtung 78 wird verwendet, um die Druckdifferenz zwischen dem Eingang des flüssigen Kühlmittels und dem Ausgang des flüssigen Kühlmittels gemäß dem unten dargestellten Verfahren zu schätzen. Die Druck-Schätzeinrichtung 78 kann eine Computerprozessorsteuerung oder eine PID sein.
• Typischerweise bestimmt die Temperatur-Schätzeinrichtung 70 die Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur durch Lösen der Gleichungen 1 bis 4. Die Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur ist die Temperatur des Kühlmittels neben den Wirkflächen einer Brennstoffzelle, d. h., den Brennstoffzellenkatalysatorschichten, an denen die elektrochemischen Reaktionen auftreten. In dieser Hinsicht nehmen wir an, dass die Eingangs-Durchflussrate und die Temperatur m₁ und T₁ sind, die Stapelkühlmittel-Bypassdurchflussrate und Temperatur sind m₂ und T₁, und die Nicht-Bypassschleifen-Durchflussrate und Temperatur sind m₃ und T₂, nach dem Energiebilanzmodell. Anwendung eines Energiebilanzmodells führt zu den Gleichungen, die zum Ermitteln der Wirkflächentemperatur verwendet werden können: $$m_1=m_2+m_3$$

  

  $$m_2\times C_p\times \left(T_3-T_1\right)=m_3\times C_p\times \left(T_2-T_3\right)$$

  
• Das Kühlmittel-Bypass-Verhältnis ist abhängig von der gesamten Kühlmittel-Durchflussrate (m₁) und Kühlmittel-Eingangstemperatur (T₁): $$Coo{l}_{Bypass}=\frac{m_2}{m_1}=f\left(m_1,T_1\right)$$

  
• Eine Kombination der Gleichungen (1), (2) und (3) der Wirkflächentemperatur ist: $$T_{ActiveArea}=T_3+\left(\frac{1}{1-\frac{m_2}{m_1}}-1\right)\times \left(T_3-T_1\right)$$

  

  worin T₃ die Ausgangstemperatur ist und $\frac{m_2}{m_1}$

  

  aus einer Lookup-Tabelle, basierend auf der gesamten Kühlmittel-Durchflussrate und der Kühlmittel-Eingangstemperatur, ausgelesen wird. Wo Q die thermische Abwärme der Brennstoffzellen-Reaktion (kW) ist, ist 1,23 V das thermodynamische Gleichgewichtspotenzial der Zelle, Vcell ist die Betriebs-Zellenspannung, j die Betriebsstromdichte (A/cm²) und Acell ist die elektrochemische Wirkfläche der Zelle (cm²).
• Einige aktuelle Brennstoffzellen-Temperatursteuerungs-Algorithmen nutzen eine PID-Steuerung, basierend auf der Stapel-Kühlmittel-Ausgangstemperaturrückkopplung (z. B. die Temperatursteuerung in 4). Jedoch, wie die CFD-Daten in 3 zeigen, kann der Stapel-Kühlmittel-Bypass dazu führen, dass die lokale Stapel-Wirkflächentemperatur bis 10 °C höher ist als die Temperatursensormessung. Unter Klein- oder Mittelleistungs-Bedingungen würde diese Abweichung keine Wirkflächen-Überhitzung oder Austrocknung verursachen. Im Hochleistungsbereich oder unter thermischen Abweichungsbedingungen kann jedoch die Steuerung, basierend auf einer Ausgangsströmungs-Temperaturrückkopplung eine starke Überhitzung oder Austrocknung an der Stapel-Wirkfläche verursachen, wodurch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels reduziert wird. Das System in 4 stellt eine Strategie für dieses Phänomen bereit, indem es Flexibilität bei der Umschaltung zwischen der Verwendung der Ausgaben-Kühlmitteltemperatur T₃ und der geschätzten Wirkflächentemperatur als Rückkopplungssignal aufweist. Im Kleinleistungs- oder Mittelleistungsbereich, wenn T₃ kleiner ist als die vorher festgelegte Sollwerttemperatur T_sp, die ein kalibrierbarer Schwellenwert ist, basiert die Temperaturregelung wie üblich auf T₃. Im Hochleistungs- oder Abweichungsfall, wenn T₃ größer ist als die vorher festgelegte Sollwerttemperatur T_sp, schaltet die Temperatursteuerung zur Wirkflächentemperatur um, die vom System in 4 bestimmt wird. In einer verfeinerten Ausführungsform liegt die vorher festgelegte Sollwerttemperatur zwischen 80 °C und 100 °C (z. B. etwa 90 °C). Durch diese Änderung steuern die Kühlmittelpumpe und das Kühlmittelmischventil zu einer höheren Temperatur, die die Stapel-Erfahrung genauer wiedergibt, dies wirkt sich auch positiv auf die Lebensdauer des Stapels aus. Diese Steuerung wird zur selben Zeit aktiv wie die Wirkflächen-Ausgangstemperatur bei der relativen Luftfeuchtigkeits (RH)-Schätzung verwendet wird. Ähnlich der Temperatursteuerung ist die thermische Abweichungs-Leistungsbegrenzung ein weiterer Fall, bei dem die Wirkflächentemperatur vorteilhaft ist. Hier ist der größte Unterschied zwischen der Stapel-Kühlmittelausgangstemperatur und der Wirkflächentemperatur zu sehen. Durch Verwendung der Wirkflächentemperatur beginnt die Leistungsbegrenzung früher als bei der Verwendung der Stapel-Kühlmittelausgangstemperatur. Die Leistungsbegrenzung senkt das hohe Risiko für bestimmte Ereignisse, wie einen Kurzschluss, aber verringert auch die Beschädigung des Stapels und verlängert damit die Lebensdauer des Stapels.
• Mit Bezug auf 5 wird ein Flussdiagramm bereitgestellt, das ein Verfahren zum Steuern der Wirkflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels veranschaulicht. In Kasten 100 wird das Verfahren gestartet. Ein Ermitteln, ob oder ob nicht die Temperatur T₃ kleiner ist als die Solltemperatur wird durch Kasten 102 veranschaulicht. Ist die Ausgangstemperatur T₃ niedriger ist als die Sollwerttemperatur T_sp, wird die Temperatursteuerung 72 verwendet, um die Temperatur wie üblich zu steuern (Kasten 104). Das System geht dann über zu einem Ermitteln, ob eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems erforderlich ist (Kasten 106). Ist die Ausgangstemperatur T₃ gleich oder höher ist als die Sollwerttemperatur T_sp, wird das oben dargelegte Wirkflächen-Schätzverfahren verwendet, um die Temperatur wie üblich zu steuern (Kasten 108). Wenn das Wirkflächen-Schätzverfahren verwendet wird, wird bestimmt, ob eine thermische Abweichung vorhanden ist (Kasten 110). Das Ermitteln der Abweichung wird aus anderen Eingaben des Fahrzeugs mit Brennstoffzellen-Ausgangsleistung, Umgebungstemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit und Brennstoffzellen-Kühlmitteltemperatur am Stapelauslass ermittelt. Bei einer thermischen Abweichung ist die Leistung begrenzt, basierend auf der Wirkflächentemperatur (Kasten 112). Das System geht dann über zu einem Ermitteln, ob eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems erforderlich ist (Kasten 106). Wenn keine thermische Abweichung vorliegt, geht das System direkt über zu einem Ermitteln, ob eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems erforderlich ist (Kasten 106). In jedem Fall, wenn keine Abschaltung des Brennstoffzellensystems erforderlich ist, geht das System über zum Ermitteln, ob, oder ob nicht, die Flüssigkeitsausgangstemperatur T₃ unterhalb der Solltemperatur liegt (Kasten 102). Ist die Abschaltung erforderlich, wird das Brennstoffzellensystem abgeschaltet (Kasten 114). 6 stellt Temperatursteuerungs-Simulationsdaten, basierend auf der Wirkflächentemperatur, bereit. 6 zeigt die Notwendigkeit der Steuerung bis zur Wirkflächentemperatur, aufgrund der Abweichung zwischen Wirkflächentemperatur (dunkelblau) und der erfassten Stapelausgangstemperatur, nachdem sich die Strömung mit der Kühler-Bypassströmung (lila), mit einer Abweichung von 5 °C, gemischt hat. Dies kann zu einem wesentlichen Unterschied in der Feuchtigkeit im Stapel führen, was die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels negativ beeinflussen kann.
• In einer Variation erlaubt das Brennstoffzellenstapel-Temperaturmesssystem auch die Kühlmittel-Druckabfall-Schätzung und Kühlmittel-Leckdiagnose basierend auf der Wirkflächentemperatur und der Stapel-Kühlmittelbypass-Schätzung. In dieser Hinsicht hängt die Kühlmittel-Durchflussrate von den Pumpeneigenschaften ab und ist eine Funktion der Pumpendrehzahl, basierend auf einer Pumpenkurve. Bei einem geschätzten Stapel-Kühlmittelbypass ist die Kühlmittel-Durchflussrate durch den Stapel: $$d{V}_{Stack}^{CoolByp}=r_{bypass}\times d{V}_{total}=r_{bypass}\times f\left({\dot{n}}_{pump}\right)$$

  
• Stapel-Kühlmittel-Druckabfall ist gleich dem Kühlmittel-Druckabfall durch die Bypass-Schleife und kann aus der folgenden Gleichung erlangt werden. $$\mathrm{\Delta }{p}_{Stack}^{Cool}=k_{StackByp}^{Lam}\ast \mu \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)\ast d{V}_{Stack}^{CoolByp}+k_{StackByp}^{Turb}\ast \rho \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)\ast {\left(d{V}_{Stack}^{CoolByp}\right)}^2$$

  
• $d{V}_{Stack}^{CoolByp}$

  

  ist die Stapel-Kühlmittelbypass-Durchflussrate, r_bypass ist das Bypass-Verhältnis, dV_total ist die gesamte Kühlmittelströmung zum Brennstoffzellenstapel, ṅ_pump ist die Kühlmittel-Pumpendrehzahl (daher ist f (ṅ_pump) eine Funktion), $\mathrm{\Delta }{p}_{Stack}^{Cool}$

  

  ist der Stapel-Druckabfall im Kühlkreislauf, $k_{StackByp}^{Lam}$

  

  ist der laminare Strömungskoeffizient der Stapel-Bypassströmung, $\mu \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)$

  

  ist die dynamische Viskosität des Kühlmittels in Abhängigkeit der Stapel-Kühlmitteleingangs-Temperaturrückkopplung, $k_{StackByp}^{Turb}$

  

  ist der Turbulenzströmungskoeffizient der Stapel-Bypassströmung und $\rho \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)$

  

  ist die Dichte des Kühlmittels in Abhängigkeit der Stapel-Kühlmitteleingangstemperatur. Gleichung (6) ergibt die Formel zum Schätzen des Druckabfalls im Stapel-Kühlkreislauf und kann verwendet werden, um den Schwellenwert des nominalen Stapel-Kühlmittel-Druckabfalls zu vergleichen. Wird ein Druckabfall geschätzt, der größer ist als der Schwellenwert, zeigt dies ein Stapel-Kühlmittelleck an. 7 stellt ein Flussdiagramm bereit, das die Implementierung eines Druckschätzverfahrens zeigt. In Kasten 120 startet das System die Kühlmittel-Druckabfall-Schätzung. Das System stellt fest, wenn ein Kühlmittel-Tankfüllstandssensor abliest, dass das Kühlmittelniveau zu hoch ist (Kasten 122). Wenn der Pegel nicht zu hoch ist, kehrt das System zu Start zurück. Wenn der Pegel zu niedrig ist, schätzt das System das Stapel-Kühlmittelbypass-Verhältnis (Kasten 124) und den Stapel-Kühlmittel-Druckabfall, basierend auf den Kühlmittelströmungs-Eigenschaften anhand der Gleichungen 5 und 6 (Kasten 126). Es wird ermittelt, ob oder ob nicht, der geschätzte Druckabfall höher ist als ein Druckschwellenwert (Kasten 128). Ist der Druckabfall nicht höher als der vorgegebene Druckschwellenwert, kehrt das System zurück zu Start. Ist der Druckabfall größer als der Druckschwellenwert, geht das System in eine optionale Verzögerungsschleife 130 über, in der ein Zähler inkrementiert wird bis ein vorbestimmter Zählerschwellenwert überschritten wird. Das System führt dann eine Kühlmittelverlust-Diagnose durch und der Zähler wird zurückgestellt (Kasten 132). Wird der Kühlmittelverlust nicht bestätigt, geht das System dazu über, zu ermitteln, ob das Kühlmittelniveau zu hoch ist (Kasten (122). Der gesamte Regelkreis beginnt wieder mit dem Ablesen des Kühlmittel-Füllstandssensors.
• Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungen nicht alle möglichen Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung vorgenommen werden können. Zusätzlich können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims (10)

1. Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem, umfassend: eine Kühlmittelquelle, die Kühlmittel in einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und einer anfänglichen Kühlmitteltemperatur bereitstellt; eine Strömungsfeldplatte, die Kühlmittel-Strömungskanäle definiert, durch die flüssiges Kühlmittel fließt, wobei die Kühlmittel-Strömungskanäle periphere Strömungskanäle und Wirkflächen-Strömungskanäle beinhalten, wobei die peripheren Strömungskanäle und die Wirkflächen-Strömungskanäle von einem gemeinsamen Eingang divergieren und zu einem gemeinsamen Ausgang konvergieren, wobei die Strömungsfeldplatte so angeordnet ist, dass sie in einem Brennstoffzellenstapel zwischen einzelnen Brennstoffzellen positioniert werden kann, wobei sich ein Eingangskühlmittel mit einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate, die am gemeinsamen Eingang bereitgestellt wird, in eine Bypassströmung aufteilt, die durch die peripheren Strömungskanäle mit einer Bypass-Kühlmitteldurchflussrate und einer Bypass-Kühlmitteltemperatur fließt, und in eine Wirkflächenströmung, die durch die Wirkflächen-Strömungskanäle mit einer Wirkflächendurchflussrate und einer Wirkflächentemperatur fließt, wobei sich die Bypassströmung mit der Wirkflächenströmung verbindet, um aus dem gemeinsamen Ausgang als Ausgangskühlmittel mit einer Ausgangskühlmitteltemperatur herauszufließen; ein Temperatursensor, der die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur vom gemeinsamen Ausgang misst; und eine Temperatur-Schätzeinrichtung, die eine Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur aus der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur schätzt.
2. Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem nach Anspruch 1, worin die Temperatur-Schätzeinrichtung die Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur durch Lösen der Gleichungen 1 bis 4 ermittelt: $$m_1=m_2+m_3$$

   

   $$m_2\times C_p\times \left(T_3-T_1\right)=m_3\times C_p\times \left(T_2-T_3\right)$$

   

   $$Coo{l}_{Bypass}=\frac{m_2}{m_1}=f\left(m_1,T_1\right)$$

   

   $$T_{ActiveArea}=T_3+\left(\frac{1}{1-\frac{m_2}{m_1}}-1\right)\times \left(T_3-T_1\right)$$

   

   worin: m₁ die gesamte Kühlmitteldurchflussrate ist; m₂ die Bypass-Kühlmitteldurchflussrate ist; m₃ die Wirkflächen-Kühlmitteldurchflussrate ist; C_p die Wärmekapazität des flüssigen Kühlmittels ist; T₁ die Bypass-Kühlmitteltemperatur ist; T₂ die Wirkflächentemperatur ist; T₃ die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur ist; T_{Active Area} die Wirkflächentemperatur ist; und Cool_Bypass ein Verhältnis der Bypass-Kühlmitteldurchflussrate zur gesamten Kühlmitteldurchflussrate ist, die von einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und einer Kühlmitteleingangstemperatur vorbestimmt wird.
3. Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Temperatursteuerung, die die Kühlmitteltemperatur steuert, wenn die Ausgangskühlmitteltemperatur unterhalb einer vorgegebenen Solltemperatur liegt.
4. Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Temperatureinstellungs-Effektor zum Steuern der Kühlmitteltemperatur, wobei der Temperatureinstellungs-Effektor in elektrischer Verbindung mit einer Temperatursteuerung ist.
5. Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem nach Anspruch 2, wobei ferner ein Kühlmittelfüllstandssensor ermittelt, ob ein Kühlmittelfüllstand höher ist als ein vorgegebener Kühlmittelfüllstand.
6. Brennstoffzellen-Temperaturmesssystem nach Anspruch 5, ferner umfassend einen Drucksensor, der einen Druck des Kühlmittels misst, und eine Druckdifferenz-Schätzeinrichtung, die eine Druckdifferenz zwischen dem Eingangskühlmittel und dem Ausgangskühlmittel schätzt.
7. Verfahren zum Messen der Temperatur einer Brennstoffzelle, das Verfahren umfassend: das Bereitstellen eines Kühlmittels mit einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und einer anfänglichen Kühlmitteltemperatur an eine Brennstoffzellen-Strömungsfeldplatte, wobei die Brennstoffzellen-Strömungsplatte die Kühlmittel-Strömungskanäle definiert, durch die das flüssige Kühlmittel strömt, wobei die Kühlmittel-Strömungskanäle periphere Strömungskanäle und Wirkflächen-Strömungskanäle beinhalten, wobei die peripheren Strömungskanäle und die Wirkflächen-Strömungskanäle von einem gemeinsamen Eingang und konvergieren zu einem gemeinsamen Ausgang divergieren, wobei die Strömungsfeldplatte so angeordnet ist, dass sie in einem Brennstoffzellenstapel zwischen einzelnen Brennstoffzellen positioniert wird, wobei sich ein Eingangskühlmittel mit einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate, die am gemeinsamen Eingang bereitgestellt wird, in eine Bypassströmung aufteilt, die durch die peripheren Strömungskanäle mit einer Bypass-Kühlmitteldurchflussrate und einer Bypass-Kühlmitteltemperatur fließt, und in eine Wirkflächenströmung, die durch die Wirkflächen-Strömungskanäle mit einer Wirkflächendurchflussrate und einer Wirkflächentemperatur fließt, wobei sich die Bypassströmung mit der Wirkflächenströmung verbindet, um aus dem gemeinsamen Ausgang als Ausgangskühlmittel mit einer Ausgangskühlmitteltemperatur herauszufließen; das Messen der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur vom gemeinsamen Ausgang; und das Schätzen einer Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur aus der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur durch Lösen der Gleichungen 1 bis 4 geschätzt wird: $$m_1=m_2+m_3$$

   

   $$m_2\times C_p\times \left(T_3-T_1\right)=m_3\times C_p\times \left(T_2-T_3\right)$$

   

   $$Coo{l}_{Bypass}=\frac{m_2}{m_1}=f\left(m_1,T_1\right)$$

   

   $$T_{ActiveArea}=T_3+\left(\frac{1}{1-\frac{m_2}{m_1}}-1\right)\times \left(T_3-T_1\right)$$

   

   wobei: m₁ die gesamte Kühlmitteldurchflussrate ist; m₂ die Bypass-Kühlmitteldurchflussrate ist; m₃ die Wirkflächen-Kühlmitteldurchflussrate ist; C_p die Wärmekapazität des flüssigen Kühlmittels ist; T₁ die Bypass-Kühlmitteltemperatur ist; T₂ die Wirkflächentemperatur ist; T₃ die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur ist; T_{Active Area} die Wirkflächentemperatur ist; und Cool_Bypass ein Verhältnis der Bypass-Kühlmittel-Durchflussrate zur gesamten Kühlmitteldurchflussrate ist, die von einer Gesamt-Kühlmitteldurchflussrate und einer Kühlmitteleingangstemperatur vorbestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, worin eine Temperatursteuerung die Kühlmitteltemperatur steuert, wenn die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur unterhalb einer vorgegebenen Solltemperatur liegt, und worin eine Temperatur-Schätzeinrichtung verwendet wird, um die Wirkflächen-Kühlmitteltemperatur von der Ausgangs-Kühlmitteltemperatur zu schätzen, wenn die Ausgangs-Kühlmitteltemperatur gleich oder größer ist als die vorgegebene Solltemperatur.
10. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Ermitteln, ob der Kühlmittelfüllstand höher ist als ein vorgegebener Kühlmittelfüllstand, das Messen eines Ausgangs-Kühlmitteldrucks des Ausgangs-Kühlmittels und das Schätzen einer Kühlmittel-Druckdifferenz aus den Gleichungen 5 und 6: $$d{V}_{Stack}^{CoolByp}=r_{bypass}\times d{V}_{total}=r_{bypass}\times f\left({\dot{n}}_{pump}\right)$$

    

    $$\mathrm{\Delta }{p}_{Stack}^{Cool}=k_{StackByp}^{Lam}\ast \mu \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)\ast d{V}_{Stack}^{CoolByp}+k_{StackByp}^{Turb}\ast \rho \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)\ast {\left(d{V}_{Stack}^{CoolByp}\right)}^2$$

    

    worin gilt: $d{V}_{Stack}^{CoolByp}$

    

    ist die Stapel-Kühlmittelbypass-Durchflussrate, r_bypass ist das Bypass-Verhältnis, dV_total ist die gesamte Kühlmittelströmung zum Brennstoffzellenstapel, ṅ_pump ist die Kühlmittel-Pumpendrehzahl, $\mathrm{\Delta }{p}_{Stack}^{Cool}$

    

    ist der Stapel-Druckabfall im Kühlkreislauf, $k_{StackByp}^{Lam}$

    

    ist der laminare Strömungskoeffizient der Stapel-Bypassströmung, $\mu \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)$

    

    ist die dynamische Viskosität des Kühlmittels in Abhängigkeit der Stapel-Kühlmitteleingangs-Temperaturrückkopplung, $k_{StackByp}^{Turb}$

    

    ist der Turbulenzströmungskoeffizient der Stapel-Bypassströmung und $\rho \left(T_{StckCoolIn}^{FB}\right)$

    

    ist die Dichte des Kühlmittels in Abhängigkeit der Stapel-Kühlmitteleingangstemperatur.

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