DE102018110809A1 - Brennstoffzellenarchitekturen, thermische systeme, und steuerlogik zur effizienten erwärmung von brennstoffzellenstapeln - Google Patents

Brennstoffzellenarchitekturen, thermische systeme, und steuerlogik zur effizienten erwärmung von brennstoffzellenstapeln Download PDF

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Abstract

Offenbart werden Brennstoffzellenarchitekturen, thermische Subsysteme und eine Steuerlogik zum Regeln der Brennstoffzellenstapel-Temperatur. Es wird ein Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Vorstarttemperatur des Brennstoffzellenstapels und für diese Vorstarttemperatur eine Soll-Erwärmungsrate, um den Stapel auf eine kalibrierte Mindestbetriebstemperatur zu erwärmen. Das Verfahren bestimmt anschließend einen Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz für die Soll-Erwärmungsrate und führt einen Stapelheizbetrieb durch, wobei der Brennstoffzellenstapel aktiviert und eine Fluidsteuervorrichtung gesteuert wird, die den Wasserstoff zur Kathodenseite zum Erzeugen von Abwärme zum Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz leitet. Nach einer kalibrierten Zeitspanne bestimmt das Verfahren, ob eine Betriebstemperatur des Stapels die kalibrierte Mindestbetriebstemperatur des Stapels überschreitet. Als Reaktion auf die Betriebstemperatur bei oder über der minimalen Betriebstemperatur wird der Stapelheizbetrieb beendet.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Brennstoffzellensysteme zum Umwandeln von chemischer Energie aus gasförmigen wasserstoffbasierten Kraftstoffen in Energie. Insbesondere beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf thermische Systeme und zugehörige Regelalgorithmen zur effizienten Erwärmung von Brennstoffzellenstapeln.
  • Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik versorgt. Der Antriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als solcher bezeichnet wird, umfasst im Allgemeinen eine Antriebsmaschine, die durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. Differential, Achsen und Straßenräder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor (ICE - Internal Combustion Engine) nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Solche Motoren beinhalten als nicht einschränkende Beispiele Zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete (CI) Dieselmotoren, Viertakt-Ottobenzinmotoren (SI), Sechstakt-Motoren und Drehkolbenmotoren. Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen andererseits alternative Energiequellen, wie batteriebetriebene Elektromotorgeneratoren, um das Fahrzeug anzutreiben und mindern die Abhängigkeit des Motors von der Energie und erhöhen somit die gesamten Kraftstoffeinsparungen.
  • Hybridelektrik- und Vollelektrofahrzeug-Antriebsstränge wenden verschiedene Architekturen an, von denen einige einen Brennstoffzellenstapel verwenden, um Energie für einen oder mehrere elektrische Traktionsmotoren zu liefern. Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die im Allgemeinen aus einer Anode, die Wasserstoff (H2) aufnimmt, einer Kathode, die Sauerstoff (O2) aufnimmt, und einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten besteht. Eine elektrochemische Reaktion wird hervorgerufen, um Wasserstoffmoleküle an der Anode zu oxidieren, um freie Protonen (H+) zu erzeugen, die dann durch den Elektrolyten, zur Reduktion mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff, durch die Kathode fließen. Insbesondere wird Wasserstoffgas in einer Oxidationsreaktion in einer Halbzelle in der Anodenkatalysatorschicht katalytisch aufgespalten, um Protonen und Elektronen zu erzeugen. Diese Wasserstoffprotonen fließen durch den Elektrolyten zur Kathode, wobei die Wasserstoffprotonen mit Sauerstoff und Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Elektronen von der Anode können jedoch nicht durch den Elektrolyten fließen und werden somit durch einen Verbraucher geleitet, wie einen Motor oder eine Batterie, bevor die Elektronen zur Kathode geleitet werden.
  • In Automobilanwendungen häufig verwendete Brennstoffzellenkonstruktionen nutzen eine Feststoff-Polymerelektrolyt-(PEM)-Membran - auch „Protonenaustauschmembran“ (PEM) genannt - um den Ionentransport zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten. Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (PEMFC) verwenden im Allgemeinen eine Protonen leitende Feststoff-Polymerelektrolytmembran (SPE), wie beispielsweise eine perfluorsulfatische Säure-Membran, um Produktgase abzutrennen und die Elektroden zusätzlich zur Protonenleitung elektrisch zu isolieren. Anode und Kathode beinhalten normalerweise fein verteilte katalytische Teilchen, wie Platin (Pt), die an Kohlenstoffpartikel gekoppelt und mit einem Ionomer vermischt sind. Die katalytische Mischung wird auf den Seiten der Membran abgeschieden, um die katalytischen Anoden- und Kathodenschichten zu bilden. Die Kombination der katalytischen Anodenschicht, der katalytischen Kathodenschicht und der Elektrolytmembran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA), in der der Anodenkatalysator und der Kathodenkatalysator auf gegenüberliegenden Seiten der ionenleitfähigen festen Polymermembran unterstützt werden.
  • Um die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs erforderliche Elektrizität zu erzeugen, werden typischerweise zahlreiche Brennstoffzellen in Reihe oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine höhere Ausgangsspannung zu erreichen und eine höhere Stromaufnahme zu ermöglichen. So kann beispielsweise ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Automobil zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Diese Brennstoffzellenstapel werden mit Reaktionsgas als Kathodeneingang versorgt, typischerweise als Umgebungsluftstrom oder konzentrierter gasförmiger Sauerstoff, der von einem Kompressor durch den Stapel gepresst wird. Im normalen Betrieb wird eine quantifizierbare Masse des Sauerstoffs nicht vom Stapel verbraucht; ein Teil des Restsauerstoffs wird als Kathodenabgas abgegeben, das Wasser als Nebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch Wasserstoff oder wasserstoffreiches Reaktionsgas als Anodeneingang auf, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen wird für den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellenstapel typischerweise weitgehend konstant gehalten. In einigen Betriebsarten wird zusätzlicher Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel eingespeist, sodass das Anodengas gleichmäßig auf eine kalibrierte Stapelausgangslast verteilt wird. Mit diesem zusätzlichen Wasserstoffeintrag steigt jedoch die Menge an Wasserstoff, die in das Anodenabgas „rutscht“, was zu einem verminderten Wirkungsgrad des Systems führen kann.
  • Überhöhte Temperaturen im Brennstoffzellenstapel, sowohl im warmen als auch im kalten Zustand, beeinflussen die Systemeffizienz und die Lebensdauer; daher verwenden die meisten Brennstoffzellensysteme ein thermisches Subsystem zur Regelung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels. So kann beispielsweise eine Kühlflüssigkeit durch dedizierte Strömungskanäle in den Bipolarplatten des Stapels gepumpt werden, um überschüssige Stapelwärme abzuführen. Im normalen Brennstoffzellen-Stapelbetrieb kann die Pumpendrehzahl, beispielsweise abhängig von Stapellast, Umgebungstemperatur und anderen Faktoren, so geregelt werden, dass die Betriebstemperatur des Stapels in einem optimalen Temperaturbereich, z. B. ca. 30-80 °C, gehalten wird. Das thermische Subsystem kann auch einen Kühler oder eine ähnliche Vorrichtung in den Kühlmittelkreislauf integrieren, um die Temperatur der stapelbeheizten Kühlflüssigkeit so zu reduzieren, dass die Kühlflüssigkeit zur Wiederverwendung durch den Stapel zurückgeführt werden kann. Für den Brennstoffzellen-„Kaltstart“ - Systeminbetriebnahme bei Minustemperaturen, z. B. bei oder unter 0 °C - ist die Kühlflüssigkeit im Kühlmittelkreislauf und Stapel sehr kalt; wenn die Pumpe sofort gestartet wird, kann die Kühlflüssigkeit eine Abschreckwirkung auf die Brennstoffzellenreaktion ausüben, die zu einem deutlichen Abfall der Stapelausgangsspannung und -leistung führen kann. Ein Ansatz zur Sanierung dieses Szenarios ist der Einbau einer elektrischen Heizung oder eines anderen speziellen Heizelements in den Brennstoffzellenstapel. Derartige Vorrichtungen erhöhen jedoch die Komplexität des Designs und erhöhen die Gesamtkosten des Systems.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Hierin offenbart sind Brennstoffzellenarchitekturen für Fahrzeuge, thermische Steuerungssubsysteme für Brennstoffzellen und zugehörige Steuerlogik zur effektiven und effizienten Regelung der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels. Als Beispiel, und nicht als Beschränkung, wird eine neuartige Regelstrategie zur effizienten Erwärmung eines Brennstoffzellenstapels durch Maximieren der Abwärme mit niedrigem H2 Schlupf und niedrigem Zellspannungsbetrieb vorgestellt. In diesem Beispiel kann ein effektiver Gefrierstart (z.B. Umgebungstemperaturen bei oder unter 0 bis -30 °C) erreicht werden, indem Wasserstoff vorübergehend auf die Kathodenseite des Stapels geleitet wird, der mit O2 Reaktionsgas reagiert, um eine katalytische Erwärmung zu erzeugen. Ein Teil des entlüfteten Wasserstoffgases reagiert nicht in der Kathode und kann daher an die Kathodenabgase verloren gehen. Verschiedene Systemparameter werden geregelt, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, die zur Minimierung des Wasserstoffschlupfs und zur Maximierung der katalytischen Erwärmungsrate beitragen. Eine offenbarte Regelstrategie implementiert beispielsweise Sollwerte für die Sauerstoffdurchflussrate, den prozentualen Anteil der Wasserstoff H2 (%H2) Entlüftung und die Zellenspannung, um einen optimalen Betriebspunkt für einen effektiven Gefrierstart zu erreichen. Bei einer gegebenen Temperatur wird beispielsweise ein Reaktormodell verwendet, um den Luftdurchsatz zu berechnen, der mit einer bestimmten %H2-Ableitung und Zellenspannung gesendet wird.
  • Durch das Identifizieren von Begrenzungsschritten für die katalytische Wasserstoffkathodenheizung (CCH) bei Minustemperaturen können die Wasserstoffreaktionsraten mit abnehmendem Potential, steigender %H2, Betriebstemperatur und Durchflussraten erhöht werden. Darüber hinaus kann in Fällen, in denen die hydrodynamische Verweilzeit von Wasserstoff langsam ist, bei hohen Durchflussraten ein zusätzlicher H2-Schlupf auftreten, bevor er reagiert. Um dieses Problem zu lösen, wird eine Regelstrategie vorgeschlagen, wobei die Kathodendurchflussrate auf niedrigere Werte beschränkt ist, jedoch über einem kalibrierten Schwellenwert gehalten wird, um sicherzustellen, dass die Zellinstabilität nicht verletzt wird. Um eine optimale Erwärmungsrate aus einer Minustemperatur zu erhalten, wird beispielsweise der Kathodendurchflussrate und die Zellenspannung (V) und/oder die Stromdichte (CD) mit einem Systemmodell oder einer kalibrierten 3D-Tabelle bestimmt, um die Erwärmungsrate bei einem minimalen Verlust von H2 zu maximieren. Ein niedrigeres Potential kann mithilfe eines elektrischen Kraftverstärkers erreicht werden. In einem spezifischen Beispiel wird der Gefrierstart durch Entlüften durchgeführt, z.B. 12% H2 zur Kathodenseite des Stapels, während der Verdichterstrom des Reaktionsgases O2, das der Kathode zugeführt wird, maximiert wird. Nicht reagierendes H2 wird beispielsweise mit Bypass-Luft verdünnt, sodass die Austrittskonzentration H2 im Kathodenabgas auf etwa 4% oder weniger begrenzt ist. Abhängig von der Systemarchitektur können der betriebsbedingte Bypass-Durchfluss, der %H2-Einlass und die Stromdichte des Betriebs festgelegt werden.
  • Begleitende Vorteile für zumindest einige der offenbarten Konzepte umfassen eine verbesserte Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems, eine höhere Effizienz der Systemheizung, kürzere Anlaufzeiten beim Kaltstart/Gefrierstart, geringere Systememissionen und geringere Gesamtsystemkosten. Weitere begleitende Vorteile sind die Minimierung der Auswirkungen von Umweltveränderungen und der Ausfall von austauschbaren Komponenten durch den Wegfall der Systemabhängigkeit von einer dedizierten elektrischen Heizung. Die offenbarten Regelverfahren tragen auch dazu bei, die Effizienz des Gefrierstarts durch den Einsatz von weniger wasserstoffbasiertem Kraftstoff zu erhöhen. Bei -30C, mit einer Entlüftung von ca. 6-15% H2 (z. B. 10% H2) in der Kathode, bei einem Betrieb mit einer CD von ungefähr 0,15 A/cm2 und einem reduzierten Durchfluss von ungefähr 1,6 (oder Stoic 10) auf ungefähr 0,6 (Stoic 5) Standardliter pro Minute (SLPM) wird beispielsweise der Auslass %H2 von 5% auf ungefähr 1,8% reduziert und gleichzeitig der Anteil der Abwärme erhöht, um eine effektive Stapelerwärmung zu erreichen. Der hierin verwendete Begriff „Abwärme“ kann als Wärme bezeichnet werden, die als Nebenprodukt einer chemischen Reaktion in einem Systemprozess entsteht, der nicht spezifisch auf Wärmeerzeugung ausgelegt ist.
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Regelalgorithmen zum Erkennen von Gefrierstartbedingungen von Brennstoffzellenstapeln und auf die Regelung des Systembetriebs zum Erwärmen des Stapels durch maximierte Abwärme mit minimiertem Wasserstoffschlupf. Es wird beispielsweise ein Verfahren zur Temperaturregelung eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einem der offenbarten Merkmale Folgendes: Bestimmen einer Vorstarttemperatur des Brennstoffzellenstapels; Bestimmen, für diese Vorstarttemperatur, einer Soll-Erwärmungsrate zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels auf eine kalibrierte Mindestbetriebstemperatur; Bestimmen eines Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatzes für die festgelegte Soll-Erwärmungsrate; Ausführen eines Stapelheizbetriebs, der das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels und das Ansteuern einer Fluidsteuerungsvorrichtung zum Entlüften oder anderweitigen Leiten von Wasserstoff zur Kathodenseite am Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz beinhaltet, sodass der Brennstoffzellenstapel Abwärme erzeugt; nach einer kalibrierten Zeitspanne der Durchführung des Stapelheizbetriebs (z. B. ca. 1 bis 2 Minuten), Bestimmen, ob eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt; und, als Reaktion auf die Betriebstemperatur, die der kalibrierten minimalen Betriebstemperatur des Stapels entspricht oder diese überschreitet, Aussetzen des Stapelheizbetriebs. Wenn die Betriebstemperatur die kalibrierte minimale Betriebstemperatur nicht erreicht hat, kann das Verfahren optional das Anweisen der Fluidsteuerungsvorrichtung beinhalten, Wasserstoff zur Kathodenseite mit einem erhöhten Entlüftungsanteil abzuführen, um erhöhte Abwärme zu erzeugen, und anschließend nach einer weiteren kalibrierten Zeitspanne zu bestimmen, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels bei oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt.
  • Das Verfahren kann optional das Bestimmen beinhalten, ob die tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels, die sich aus der erzeugten Abwärme ergibt, geringer ist als die Soll-Erwärmungsrate und, falls dies der Fall ist, das Anweisen der Fluidsteuerungsvorrichtung, Wasserstoff mit einem erhöhten Entlüftungsprozentsatz auf die Kathodenseite zu leiten, sodass der Stapel eine erhöhte Abwärme erzeugt. Nach einer weiteren kalibrierten Zeitspanne kann bestimmt werden, ob die Betriebstemperatur des Stapels nun der kalibrierten minimalen Betriebstemperatur des Stapels entspricht oder diese überschreitet; als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Betriebstemperatur auf oder über der kalibrierten minimalen Betriebstemperatur liegt, kann der Stapelheizbetrieb ausgesetzt werden. Optional kann bestimmt werden, ob die Betriebstemperatur auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt, wenn bestimmt wird, dass die tatsächliche Erwärmungsrate gleich oder größer als die Soll-Erwärmungsrate ist.
  • Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf Kraftfahrzeuge mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ausgerichtet, die gemäß irgendeinem der offenbarten Verfahren zum Erwärmen von Stapeln konditioniert sind. Ein „Kraftfahrzeug“, wie hierin verwendet, kann sich auf jede relevante Fahrzeugplattform, wie z. B. Personenkraftwagen (Brennstoffzellen-Hybrid, elektrische Brennstoffzelle, vollständig oder teilweise autonom, usw.), Transportfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Raupenfahrzeuge, Geländefahrzeuge (ATV), landwirtschaftliche Geräte, Boote, Flugzeuge, Züge usw. Brennstoffzellensysteme, die gemäß den offenbarten Verfahren zum Erwärmen von Stapeln reguliert werden, können in anderen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel tragbare Brennstoffzellenvorrichtungen, z. B. für den Betrieb von Haushalts- und Gewerbegeräten, und stationäre Brennstoffzellenkraftwerke, z. B. die eine saubere und zuverlässige Stromversorgung für Flughäfen, Krankenhäuser, Schulen, Banken und Haushalte bieten. Ein mit Brennstoffzellen betriebenes Kraftfahrzeug wird offenbart, das eine Fahrzeugkarosserie, mehrere Straßenräder und einen an der Fahrzeugkarosserie angebrachten Traktionsmotor zum Antreiben eines oder mehrerer Straßenräder beinhaltet. Ein Brennstoffzellensystem im Fahrzeug, das den Traktionsmotor antreibt, beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel mit einer protonenleitenden Membran, die zwischen einer Kathode und einer Anode angeordnet ist. Eine erste Fluidsteuerungsvorrichtung, die in der Art eines elektronisch gesteuerten Entlüftungsventils sein kann, ist betriebsfähig, um den Wasserstoffstrom auf die Anodenseite und/oder die Kathodenseite zu entlüften oder anderweitig zu leiten. Ebenso ist eine zweite Fluidsteuerungsvorrichtung, die in der Art einer Pumpe oder eines Kompressors sein kann, betriebsfähig, um die Sauerstoffzufuhr zur Kathodenseite zu leiten.
  • Das mit Brennstoffzellen betriebene Kraftfahrzeug beinhaltet auch eine Fahrzeugsteuerung, wie beispielsweise eine programmierbare elektronische Antriebsstrang-Steuereinheit (ECU), zum Überwachen und Steuern des Brennstoffzellensystems. Die Fahrzeugsteuerung ist darauf programmiert, eine Vorstarttemperatur des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen und anschließend für diese Vorstarttemperatur eine Soll-Erwärmungsrate zu bestimmen, um den Stapel auf eine kalibrierte Mindestbetriebstemperatur zu erwärmen. Für die Soll-Erwärmungsrate wird ein Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz bestimmt und ein Stapelheizbetrieb durchgeführt. Der Stapelheizbetrieb beinhaltet beispielsweise das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels und die gleichzeitige Ansteuerung der ersten Fluidsteuerungsvorrichtung, um Wasserstoff zur Kathodenseite am Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz so zu entlüften/zu leiten, dass die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Abwärme erzeugt. Nach einer kalibrierten Zeitspanne der Durchführung des Stapelheizbetriebs wird die Fahrzeugsteuerung programmiert, um zu bestimmen, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels bei oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt. Als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Betriebstemperatur die kalibrierte minimale Betriebstemperatur erreicht oder überschreitet, schaltet die Steuerung den Stapelheizbetrieb ab.
  • Weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf nicht-flüchtige, computerlesbare Medien, in denen Anweisungen zur Ausführung durch mindestens einen oder mehrere Prozessoren von mindestens einem oder mehreren elektronischen Steuereinheiten im Fahrzeug. Diese Anweisungen veranlassen die ECU(s), bei der Durchführung von verschiedenen Vorgängen, die in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit allen in dieser Offenbarung aufgeführten Merkmalen durchgeführt werden können, zu Folgendem: Bestimmen einer Vorstarttemperatur des Brennstoffzellenstapels; Bestimmen, für die Vorstarttemperatur, einer Soll-Erwärmungsrate zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels auf eine kalibrierte Mindestbetriebstemperatur; Bestimmen eines Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatzes für die bestimmte Soll-Erwärmungsrate; Ausführen eines Stapelheizbetriebs, der das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels und das Ansteuern einer Fluidsteuerungsvorrichtung zum Entlüften oder anderweitigen Leiten von Wasserstoff zur Kathodenseite zum Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz beinhaltet, sodass der Brennstoffzellenstapel Abwärme erzeugt; nach einer kalibrierten Zeitspanne der Durchführung des Stapelheizbetriebs Bestimmen, ob eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels an oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt; und als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Betriebstemperatur auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt, Abschalten des Stapelheizbetriebs.
  • Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit einer eingeschobenen schematischen Darstellung eines repräsentativen Brennstoffzellensystems mit der Fähigkeit der thermischen Regulierung des Brennstoffzellenstapels gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 ist ein Flussdiagramm für einen Brennstoffzellenstapel-Heizalgorithmus, der den gespeicherten Anweisungen entsprechen kann, die von einer bordeigenen Steuerlogik, einer programmierbaren elektronischen Steuereinheit oder einer anderen computergestützten Vorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß den Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden.
    • 3 ist ein Diagramm, das die elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels im Vergleich zur erzeugten Abwärme mit einem festgelegten Prozentsatz für ein repräsentatives Verfahren zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
    • 4 ist ein Diagramm, das die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels im Vergleich zum Wasserstoffschlupf bei einem festgelegten Prozentsatz für ein repräsentatives, auf Abwärme basierendes Brennstoffzellen-Stapelheizverfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
    • 5 ist ein Diagramm, das die Stapelstromdichte gegenüber nicht reagiertem % Wasserstoff im Auslass bei einem festgelegten Entlüftungsprozentsatz für ein repräsentatives, auf Abwärme basierendes Brennstoffzellen-Stapelheizverfahren gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten exemplarischen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ und „mit“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden.
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, wird in 1 eine Darstellung eines repräsentativen Fahrzeugs, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird und hierin zu Zwecken der Erörterung als eine Vier-Personen-Limousine dargestellt. In der Fahrzeugkarosserie 12 des Fahrzeugs 10 ist ein repräsentatives Brennstoffzellensystem verbaut, das im Allgemeinen mit 14 bezeichnet wird, um einen oder mehrere Traktionsmotoren 16 anzutreiben, die zum Antreiben der Straßenräder 18 des Fahrzeugs dienen. Das dargestellte Automobil 10 - hier auch kurz als „Kraftfahrzeug“ oder „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuartigen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. In gleicher Weise sollte die Implementierung der vorliegenden Konzepte in ein PEMFC-Brennstoffzellensystem 14 auch als eine exemplarische Anwendung der hierin offenbarten neuartigen Konzepte angesehen werden. Demgemäß versteht es sich, dass viele Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Brennstoffzellensystem-Architekturen angewendet werden können, die für andere Automobilanwendungen und nicht Automobilanwendungen implementiert sind und für jeden logisch relevanten Typ eines Kraftfahrzeugs verwendet werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
  • Das Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem 14 von 1 ist mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 20 ausgestattet, die jeweils aus mehreren Brennstoffzellen 22 vom Typ PEM zusammengesetzt sind, die z. B. in Reihe geschaltet sind. In der veranschaulichten Architektur ist jede Brennstoffzelle 22 beispielsweise eine mehrschichtige Konstruktion mit einer Anodenseite 24 und einer Kathodenseite 26, die durch eine Protonen leitende Perfluorsulfonsäuremembran 28 getrennt sind. Eine Anodendiffusionsmediumschicht 30 ist auf der Anodenseite 24 von PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Anodenkatalysatorschicht 32 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmediumschicht 30 angeordnet ist und diese wirksam verbindet. Gleichermaßen ist eine Kathodendiffusionsmediumschicht 34 auf der Kathodenseite 26 von PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Kathodenkatalysatorschicht 36 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmediumschicht 34 angeordnet ist und diese wirksam verbindet. Diese beiden Katalysatorschichten 32 und 36 wirken mit der Membran 28 zusammen, um ganz oder teilweise eine MEA 38 zu definieren. Es werden lediglich ausgewählte Komponenten des Systems 10 in den Zeichnungen exemplarisch dargestellt und hierin im Detail beschrieben. Dennoch kann das Brennstoffzellensystem 10 zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere gut bekannte periphere Komponenten beinhalten, ohne von dem beabsichtigten Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
  • Die Diffusionsmediumschichten 30 und 34 sind poröse Konstruktionen, die einen Fluideinlasstransport zu und einen Fluidabgastransport von der MEA 38 bereitstellen. Eine Anodenströmungsfeldplatte (oder „Bipolarplatte“) 40 ist an der Anodenseite 24 angrenzend an die Anodendiffusionsmediumschicht 30 vorgesehen. In gleicher Weise ist eine Kathodenströmungsfeldplatte (oder „Bipolarplatte“) 42 auf der Kathodenseite 26 angrenzend an die Kathodendiffusionsmediumschicht 34 vorgesehen. Kühlmittelströmungskanäle 44 durchziehen jede der Bipolarplatten 40 und 42, um den Fluss von Kühlfluid durch die Brennstoffzelle 22 zu ermöglichen. Entsprechende Fluideinlassöffnungen und -verteiler leiten den Wasserstoffbrennstoff und das Oxidationsmittel zu Durchgängen in den Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten. Die MEA 38 und die Bipolarplatte 40, 42 können zwischen Edelstahl-Klemmplatten 41 und 43 und monopolaren Endplatten (nicht dargestellt) gestapelt werden. Diese Klemmplatten 41, 43 können von den Endplatten durch eine Dichtung oder dielektrische Beschichtung elektrisch isoliert werden (nicht dargestellt). Das Brennstoffzellensystem 14 kann auch die Anodenrückführung nutzen, wobei ein Anodenrückführungsgas aus dem Anodenabgaskrümmer durch eine Anodenrückführungsleitung zur Rückführung auf den Eingang der Anodenseite 24 zugeführt wird, um Wasserstoffgas im Stapel 20 zu konservieren.
  • Der Wasserstoff (H2) Einlassstrom - seien diese gasförmig, konzentriert, mitgerissen oder anderweitig - wird von einer Wasserstoff/Stickstoffquelle 46 über einen Fluidinjektor 47, der mit einer (ersten) Fluideinlassleitung oder einem Schlauch 48 gekoppelt ist, auf die Anodenseite 24 des Brennstoffzellenstapels 20 übertragen. Die Anodenabsaugung verlässt den Stapel 20 über eine (erste) Fluidablassleitung oder einen Krümmer 50; der Abgaskrümmer leitet das Abgas zu einer Auffangwanne 78. Ein zentraler aktiver Bereich der Anoden-Bipolarplatte, welcher der protonenleitenden Membran 28 gegenüberliegt, kann mit einer Arbeitsfläche mit einem Anodenströmungsfeld mit Serpentinenströmungskanälen zum Verteilen von Wasserstoff über eine gegenüberliegende Fläche der Membran 28 hergestellt werden. Ein Kompressor oder eine Pumpe 52 stellt einen Kathodeneinlassstrom, z. B. Umgebungsluft, deionisiertes Wasser (DI H2O) und/oder konzentrierten gasförmigen Sauerstoff (O2), über eine (zweite) Fluideinlassleitung oder -schlauch 54 zur Kathodenseite 26 des Stapels 20 bereit. Kathodenabgas wird von dem Stapel 20 über eine (zweite) Fluidauslassleitung oder einen (zweiten) Verteiler 56 abgegeben. Strömungssteuerventile, Durchflussbegrenzungen, Filter und andere bekannte Vorrichtungen zum Regeln des Fluidflusses können durch das System 10 von 1 implementiert werden. Ein Wasserstoff-Entlüftungsventil 49 entlüftet oder leitet den Wasserstoffstrom von der Fluideinlassleitung 48 der Anode zum Kathodeneinlass (z. B. über die Fluideinlassleitung 54) um, wie im Folgenden näher erläutert. In der gleichen Weise leitet ein Sauerstoff-Bypassventil 53 die Luft zu einem oder beiden Auspuffkrümmern 50, 56 um, sodass die Auslass-Wasserstoffkonzentration verdünnt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 14 von 1 kann auch ein thermisches Subsystem beinhalten, das zum Steuern der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 während des Vorkonditionierens, Einfahrens, Startens und Abschaltens dient. Gemäß dem dargestellten Beispiel pumpt eine Kühlfluidpumpe 58 ein Kühlfluid durch eine Kühlmittelschleife 60 zu dem Brennstoffzellenstapel 20 und in die Kühlmittelkanäle 44 jeder Zelle 22. Ein Kühler 62, der in die Kühlmittelschleife 60 fluidisch gekoppelt ist, wird verwendet, um das Kühlfluid auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Das Brennstoffzellensystem 14 ist zudem mit verschiedenen Abtastvorrichtungen ausgestattet, die beim Überwachen des Stapelbetriebs, bei der Regulierung der Stapeltemperatur und der Steuerung von Brennstoffzellenabgasen und - rückführung unterstützend wirken. Zum Beispiel misst, überwacht oder erfasst ein (erster) Temperatursensor 66 einen Temperaturwert des Kühlmittels an einem Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels 20, und ein (zweiter) Temperatursensor 68 misst, überwacht oder erfasst auf andere Weise einen Temperaturwert des Kühlmittels an einem Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels 20. Als ein weiteres Beispiel misst, überwacht oder erfasst auf andere Weise ein Stapeltemperatursensor 64 einen Temperaturwert des Brennstoffzellenstapels 20. Ein elektrischer Verbinder oder elektrisches Kabel 74 verbindet den Brennstoffzellenstapel 20 mit einer elektrischen Spannungsversorgung 76. Ein Spannungs-/Stromsensor 70 kann betrieben werden, um die Brennstoffzellenspannung und/oder den Strom über die Brennstoffzellen 22 in dem Stapel 20 während des Einfahrbetriebes zu messen, zu überwachen oder anderweitig zu erfassen.
  • Die programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU - Electronic Control Unit) 72 hilft dabei, den Betrieb des Brennstoffzellensystems 14 zu steuern. Als ein Beispiel empfängt die ECU 72 ein oder mehrere Temperatursignale T1 von den ersten und zweiten Temperatursensoren 66 und 68, welche die Temperatur des in den Brennstoffzellenstapel 20 ein- und austretenden Kühlfluids anzeigen; die ECU 72 kann als Reaktion darauf ein oder mehrere Befehlssignale C1 ausgeben, um den Betrieb des Kühlers 62 zu modulieren. Diese ECU 54 empfängt auch ein oder mehrere Temperatursignale T2 vom Stapeltemperatursensor 64, die beispielsweise Betriebs- und Stillstandstemperaturen des Stapels 20 anzeigen; die ECU 72 kann ein oder mehrere Steuersignale C2 ausgeben, um den Betrieb des Stapels (zum Erzeugen von Abwärme) und/oder des thermischen Subsystems (zum Zirkulieren von Kühlfluid) zu modulieren. Die ECU 54 kann auch ein oder mehrere Brennstoffzellen-Spannungssignale V2 von dem Spannungssensor 70 empfangen und gibt daraufhin ein oder mehrere Befehlssignale C3 aus, um den Stromfluss über den und die Spannung über dem Brennstoffzellenstapel 20 zu modulieren. Zusätzliche Sensorsignale SN können von der ECU 72 empfangen und zusätzliche Steuerbefehle CN ausgegeben werden, um z. B. den Fluidinjektor 47, den Kompressor/die Pumpe 52, die Kühlmittelpumpe 58 oder jedes/jede andere hierin veranschaulichte und/oder beschriebene Subsystem oder Komponente zu steuern. Ein exemplarischer Algorithmus, der durch die ECU 72 ausführbar ist, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu regeln, wird im Folgenden näher erläutert. In 1 werden die Pfeile, die von der ECU 72 stammen oder sich bis zu ihr erstrecken, sinnbildlich für elektronische Signale oder andere Kommunikationsaustausche, durch die Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zu einer anderen übertragen werden.
  • Zur Unterstützung eines effektiven Gefrierstarts des Brennstoffzellensystems 14 (z. B. bei Minustemperaturen) kann eine effiziente Stapelheizung erreicht werden, indem Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle der Anode auf die Kathodenseite 26 des Stapels 20 entlüftet wird, die mit dem einströmenden Sauerstoff zur katalytischen Erwärmung reagiert. Systembetriebsparameter werden geregelt, um optimale Betriebsbedingungen zu erreichen, die zur Minimierung des Wasserstoffschlupfs und zur Maximierung der katalytischen Erwärmungsrate beitragen. Eine dieser Strategien nutzt Sollwerte für den Sauerstoff-Einlassdurchfluss, den prozentualen Anteil von Wasserstoff H2 (%H2) und die Spannung des Brennstoffzellensystems, um einen optimalen Betriebspunkt für einen effektiven Gefrierstart zu bestimmen. Bei einer gegebenen Temperatur kann beispielsweise ein Reaktormodell verwendet werden, um einen systemkalibrierten Luftdurchsatz zu berechnen, der mit einer bestimmten %H2-Ableitung und Zellenspannung gesendet werden soll. Dies trägt dazu bei, den Wirkungsgrad des Gefrierstarts zu erhöhen, indem weniger H2-Kraftstoff verwendet wird und gleichzeitig mehr Abwärme erzeugt wird. Mit einem Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz von etwa 10% H2 in der Kathode und einem Betrieb bei einer Stromdichte (CD) von etwa 0,15 A/cm2 bei gleichzeitiger Reduzierung der Sauerstoffdurchflussrate von etwa 0,6 Standardliter pro Minute (SLPM) wird der Wasserstoffschlupfanteil von etwa 50% auf etwa 18% reduziert, während der Anteil der Abwärme erhöht wird und eine effektive Heizung aufzeigt.
  • Durch Systemtests wurde nachgewiesen, dass die Wasserstoffreaktionsrate tendenziell mit abnehmendem Potenzial, zunehmendem %H2 und zunehmendem Sauerstoffdurchfluss zunimmt. Zudem ist die hydrodynamische Verweilzeit von Wasserstoff relativ langsam, sodass mehr Wasserstoffschlupf bei hohen Durchflussraten auftritt, bevor er reagiert. Um dieses Phänomen auszugleichen, kann der Kathodeneinlassdurchfluss auf niedrigere Werte beschränkt werden, jedoch auch über einem Schwellenwert gehalten werden, um sicherzustellen, dass die Zellinstabilität nicht verletzt wird. Um eine effektive Erwärmungsrate aus einer gefrierenden Umgebungs- und/oder Stapeltemperatur zu erhalten, bestimmt das System eine Kathodendurchflussrate und eine Zellenspannung/Stromdichte mit einem Modell oder einer kalibrierten 3D-Tabelle, welche die Erwärmungsrate mit minimalem Wasserstoffverlust maximiert. In einem nicht einschränkenden, spezifischeren Beispiel kann es wünschenswert sein, eine Erwärmungsrate von mindestens etwa 1 c/s bei einer Vorstart-Stapeltemperatur von -30 °C zu erreichen, was mit einer CD von 0,1 A/cm2 und einer Stapelausgangsspannung von 0,5 V bei 15% H2 Entlüftung möglich ist (z. B. für einen 300+ Zellstapel mit mindestens ca. 300 cm2 aktiver Oberfläche)
  • Mit Bezug auf das Flussdiagramm von 2 ist ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerstrategie zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise des Systems 14 von 1 zum aktiven Erwärmen von einer oder mehreren Brennstoffzellen in einem Stapel, wie beispielsweise der Zelle 22 des Stapels 20 in 1, allgemein gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung bei 100 beschrieben. Einige oder alle der in 2 veranschaulichten und hierin beschriebenen Vorgänge können repräsentativ für einen Algorithmus sein, was prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfsspeicher gespeichert werden können und beispielsweise durch eine ECU, eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einer im Fahrzeug oder entfernt befindlichen Steuerlogikschaltung oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt werden können, um beliebige oder alle der vorstehend und/oder nachfolgend beschriebenen Funktionen auszuführen, die den offenbarten Konzepten zugeordnet sind.
  • Das Verfahren 100 der 2 beginnt am Klemmenblock 101 mit dem Bestimmen, ob „Kaltstart“-Bedingungen vorliegen oder nicht, z. B. wenn ein Fahrer oder eine andere Einheit versucht, das Brennstoffzellensystem 14 zu aktivieren. Dieser Vorgang kann das Erfassen der Umgebungstemperatur, in der sich das Brennstoffzellensystem 14 befindet, und/oder das Bestimmen einer Vorstarttemperatur (deaktiviert) des Brennstoffzellenstapels 20 umfassen. Bei einigen optionalen Regelalgorithmen kann der Prozessblock 101 durch einen Entscheidungsblock ersetzt werden, sodass, wenn bestimmt wird, dass keine Kaltstartbedingungen vorliegen, das Verfahren 100 beendet oder zumindest ausgesetzt wird, bis derartige Bedingungen erkannt werden. Das Verfahren 100 fährt dann mit dem Prozessblock 103 fort und berechnet, schätzt oder bestimmt anderweitig eine Soll-Erwärmungsrate für die zuvor bestimmte Vorstarttemperatur, um den Brennstoffzellenstapel auf eine kalibrierte minimale Stapelbetriebstemperatur zu erwärmen. Wenn zum Beispiel die Vorstart-Stapeltemperatur -30 °C ist und die systemkalibrierte minimale Stapelbetriebstemperatur auf 30 °C eingestellt ist, kann die Soll-Erwärmungsrate auf 1 Grad Celsius/Sekunde mit einem voreingestellten einminütigen Heizfenster eingestellt werden. Die berechneten Soll-Erwärmungsraten können beispielsweise abhängig von den Start- und/oder kalibrierten Mindestbetriebstemperaturen des Stapels, dem gewünschten Heizfenster, den Betriebsbegrenzungen des Systems, anwendungsspezifischen Einschränkungen usw. variieren. Eine derartige Einschränkung kann Beschränkungen des Wasserstoffgasanteils im Systemabgas beinhalten (hierin auch als „H2 Schlupf“ oder „Auslass % H2 „bezeichnet); ein Schwellenwert für den Auslass %H2 kann auf etwa 3-4% oder weniger festgelegt werden.
  • Verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems werden während des Kaltstarts des Stapels geregelt, um Stapelheizbedingungen zu erreichen, die den H2-Schlupf minimieren und gleichzeitig die katalytische Kathodenheizungs-(CCH)-Rate maximieren. Am Prozessblock 105 führt das ECU 72 beispielsweise im Speicher gespeicherte Anweisungen aus, um z. B. durch Reaktormodellberechnung, modellbasierte Steuerungsrückmeldungen, Zugriff auf gespeicherte Nachschlagetabellen usw. einen Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz (hier auch als „%H2-Ableitung“ bezeichnet) zum Erreichen der gewünschten Soll-Erwärmungsrate zu bestimmen. Der Prozessblock 105 kann auch prozessorausführbare Anweisungen für die ECU 72 zum Bestimmen von weiteren bezeichneten Betriebsparametern beinhalten, welche die Stapelheizung beeinflussen, wie beispielsweise einen modifizierten Kathodeneinlass-Sauerstoffdurchsatz für den Heizbetrieb, ein Heizbetrieb-Zellenspannungsausgang, eine Betriebs-CD für den Heizbetrieb und/oder ein Betriebsgegendruck zum Erreichen der Soll-Erwärmungsrate. Ähnlich wie bei der Bestimmung der Soll-Erwärmungsrate kann jeder der vorgenannten Systembetriebsparameter einzeln oder gemeinsam variiert werden, zum Beispiel aufgrund von Systembetriebsbeschränkungen, anwendungsspezifischen Einschränkungen, benutzerdefinierten Einschränkungen usw. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, ist der Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz etwa 5 bis 15% H2 oder, in einigen Ausführungsformen etwa 10% H2, wobei die Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels auf etwa 0,4 bis 0,8 V eingestellt ist, oder in einigen Ausführungsformen von etwa 0,55 V oder weniger und einem kathodenseitigen Sauerstoffdurchsatz von etwa 0,5 bis 1,9 Standardliter pro Minute (SLPM) oder, in einigen Ausführungen, etwa 0,6 SLPM oder weniger, betrieben mit einer aktiven Brennstoffzellenfläche von 50cm2. Als weiteres spezifischeres, nicht einschränkendes Beispiel kann der Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz auf etwa 6 bis 15% H2 eingestellt werden, wobei die Betriebs-CD des Brennstoffzellenstapels auf etwa 0,05 bis 0,70 A/cm2 und der Sauerstoffdurchsatz auf etwa 0,2 bis 1,7 SLPM eingestellt ist.
  • Die Brennstoffzellensystem-Steuerstrategie 100 fährt mit Block 107 fort und führt einen „Kaltstart“-Stapelheizbetrieb durch, um den Brennstoffzellenstapel 20 auf die kalibrierte minimale Stapelbetriebstemperatur hochzufahren. Gemäß dem veranschaulichten Beispiel beinhaltet Block 107 prozessorausführbare Anweisungen zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels und zum gleichzeitigen Anweisen eines oder mehrerer der Fluidsteuervorrichtungen des Systems 14, wie beispielsweise dem Wasserstoff-Entlüftungsventil 49, um Wasserstoff von der Anodenseite 24 auf die Kathodenseite 26 mit dem berechneten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zu entlüften oder anderweitig umzuleiten. Dieser Entlüftungsvorgang zwingt den Brennstoffzellenstapel, als Nebenprodukt der stromerzeugenden chemischen Reaktion verstärkt Abwärme zu erzeugen. In der Folge wird Wasserstoff direkt in den Kathodeneinlass eingeleitet, um mit dem in den Katalysator eingeleiteten Luftsauerstoff chemisch zu reagieren und hochwertige Abwärme zu erzeugen, die zum Erwärmen des Stapels genutzt werden kann. Gleichzeitig kann die ECU 72 bei Block 107 dahingehend programmiert werden, dass eine oder mehrere Fluidsteuervorrichtungen des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise der Kompressor/die Pumpe 52, mit dem geänderten Sauerstoffdurchsatz während des Stapelheizbetriebs auf die Kathodenseite geleitet werden, z. B. um die CCH-Rate zu verstärken. Gleichzeitig können ein oder mehrere Steuersignale an den Brennstoffzellenstapel gesendet werden, um die bestimmte Zellenspannung zu erzeugen und die Kathodenseite des Stapels mit dem Betriebsgegendruck während des Stapelheizbetriebs zu betreiben. In diesem Zusammenhang kann ein Steuersignal an eine der Fluidsteuervorrichtungen des Systems gesendet werden, z. B. das Sauerstoff-Bypassventil 53, um einen kalibrierten Prozentsatz des Sauerstoffs vom Kathodeneinlass zum Kathodenauslass zu leiten, sodass der umgangene Sauerstoff den Wasserstoff in einem Kathodenabgasstrom verdünnt. Mit diesem Ansatz lässt sich das Brennstoffzellensystem beispielsweise dadurch charakterisieren, dass zur Erwärmung des Stapels kein spezielles elektronisches Heizgerät zur Verfügung steht. Der Luftstrom ist zum Minimieren des Wasserstoffschlupfs eingestellt.
  • Unter Fortführung von 2 fährt das Verfahren 100 mit dem Entscheidungsblock 109 fort, um zu bestimmen, ob die tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels, die sich aus der während des Stapelheizbetriebs von Block 107 erzeugten Abwärme ergibt, ungefähr gleich oder größer ist als die in Block 103 berechnete Soll-Erwärmungsrate. Wenn die tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels 20 nicht gleich oder größer ist als die Soll-Erwärmungsrate (dT/dt < ΔTdes; Block 109 = NO) kann die ECU 72 über den Prozessblock 111 dahingehend programmiert werden, dass sie automatisch reagiert, indem sie die entsprechende(n) Fluidsteuervorrichtung(en) dazu veranlasst, Wasserstoff mit einem erhöhten (oder anderweitig eingestellten) Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zur Kathodenseite 26 des Stapels 20 zu leiten, sodass der Brennstoffzellenstapel 20 eine erhöhte Abwärme erzeugt. Nach einem kalibrierten Zeitfenster, das z.B. ausreichend ist, um den erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zum Verstärken der Erwärmungsrate zuzulassen, kann das Verfahren 100 zum Entscheidungsblock 109 zurückschleifen, um erneut zu bestimmen, ob die tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels, die nun aus der höheren erhöhten Abwärme resultiert, geringer ist als die Soll-Erwärmungsrate. Die Blöcke 109 und 111 können in einer Endlosschleife ausgeführt werden, bis einer von beiden: (1) die Soll-Erwärmungsrate erreicht hat; oder (2)(a) eine vorgegebene Zeitspanne seit Beginn des Stapelheizbetriebs abgelaufen ist (z. B. ein Timeout-Ereignis ist eingetreten) und/oder (2)(b) wenn eine maximale Anzahl von Zyklen (z. B. eine Vorgabe von fünf Versuchen) zum Erhöhen der tatsächlichen Erwärmungsrate abgeschlossen wurde.
  • Als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die tatsächliche Erwärmungsrate ungefähr gleich oder größer als die Soll-Erwärmungsrate (dT/dt ≥ ΔTdes ist; Block 109 = JA), fährt das Verfahren 100 mit dem Entscheidungsblock 113 fort, um zu bestimmen, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels die kalibrierte minimale Stapelbetriebstemperatur erreicht hat. Insbesondere nach einer kalibrierten Zeitspanne zur Durchführung des Stapelheizbetriebs (z. B. ca. 1-2 Minuten, abhängig von Systembeschränkungen und Stapelstarttemperatur) erfasst die ECU 72 die aktuelle Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 20 und vergleicht diese mit der kalibrierten Mindestbetriebstemperatur. Wenn bestimmt wird, dass die Betriebstemperatur nicht auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur oder innerhalb einer vorgegebenen Temperaturtoleranz des kalibrierten Minimums (Block 113 = NEIN) liegt, fährt das Verfahren mit Block 111 fort, wie vorstehend beschrieben, um Wasserstoff zur Kathodenseite 26 des Stapels 20 mit einem erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zu entlüften. Nach einer zweiten kalibrierten Zeitspanne, während dieser Wasserstoff auf die Kathodenseite 26 mit dem erhöhten Entlüftungsprozentsatz geleitet wird, schleift das Verfahren 100 zu Block 109 zurück, um zu bestimmen, ob die tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels niedriger ist als die Soll-Erwärmungsrate. Optional kann das Verfahren 100 Block 109 überspringen und von Block 111 direkt zu Block 113 schleifen, um zu bestimmen, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels die kalibrierte minimale Stapelbetriebstemperatur erreicht hat. Wie vorstehend angegeben, können die Blöcke 109, 111 und/oder 113 in einer eingeschränkten oder nicht eingeschränkten Schleife ausgeführt werden, bis eine gewünschte Stapelbetriebstemperatur erreicht ist. Wenn die aktuelle Stapelbetriebstemperatur auf oder über der kalibrierten minimalen Betriebstemperatur liegt, fährt die ECU 72 mit Block 115 fort und unterbricht oder beendet vorübergehend den Stapelheizbetrieb. Danach wird die Entlüftung des Wasserstoffstroms direkt zur Kathodenseite 26 gestoppt, sodass der Betrieb des Brennstoffzellensystems 14 auf die Standardbetriebsparameter für den normalen Systembetrieb zurückkehren kann.
  • Die 3-5 stellen repräsentative Beispiele für die Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems zum Erreichen einer gewünschten Erwärmungsrate dar. 3 vergleicht beispielsweise die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels in Watt pro Quadratzentimeter (W/cm2) auf der x-Achse mit der erzeugten Abwärme (W/cm2) auf der y-Achse bei einem vorgegebenen Entlüftungsprozentsatz (z. B. 10% H2-Entlüftung) für drei verschiedene Sauerstoffdurchflussraten: etwa 1,6 SLPM bei 201; ungefähr 0,6 SLPM bei 203; und ungefähr 0,3 SLPM bei 205. Diese Figur dient dazu, die Effizienz der Abwärme für eine gegebene elektrische Leistung zu demonstrieren, wobei es wünschenswert sein kann, mit niedrigem Potential oder maximalem elektrischen Strom oder niedrigem Durchfluss bei gegebenen Systembetriebsbedingungen zu arbeiten. Für eine gegebene %CCH (Kathodenkatalysatorheizung) kann zur Erwärmung des Stapels bei einem Kaltstart die maximale Abwärme erreicht werden, beispielsweise mit einer höheren elektrischen Leistung, begrenzt durch eine maximale Schlupfbegrenzung am Kathodenauslass (z. B. 4% H2-Schlupf). Einige Architekturen ermöglichen es dem Benutzer optional, die maximal zulässige elektrische Leistung bei einer bestimmten Temperatur einzustellen, die z. B. basierend auf der Batterie SOC, der spezifischen Wärme des Systems, der Kabinenheizung usw. berechnet wird. Niedrigere Grenzwerte für die elektrische Leistung können durch Emissionsgrenzwerte für % H2 am Auslass begrenzt werden. In der gleichen Weise können die unteren Grenzwerte für die elektrische Leistung unterschiedlich sein, mit Einschränkungen für %H2, die dem Kathodeneinlass zugeführt werden können. Bei einer Schlupfgrenze von 3% für Emissionen kann zum Beispiel eine Untergrenze für die Leistungsanforderung auf 0,075 W/cm2 mit 10% H2-Entlüftung oder 0,015 W/cm2 mit 12% H2-Entlüftung oder 0 W/cm2 mit 6 % H2-Entlüftung begrenzt werden. Eine optimale Betriebsbedingung kann das Anfordern von 0,125 W/cm2 unter Verwendung von 10 %H2 Entlüftung am Kathodeneingang sein.
  • Im Vergleich dazu stellt 4 den Spannungsausgang (V) des Brennstoffzellenstapels auf der x-Achse dem Wasserstoffschlupf (%H2) auf der y-Achse bei einem festgelegten Entlüftungsprozentsatz (z. B. 6% H2-Entlüftung) für unterschiedliche Sauerstoffdurchsätze und stoische Sollwerte gegenüber: ungefähr 1,9 SLPM bei 301; ungefähr 0,5 SLPM bei 303; stoisch 6 bei 305; und stoisch 3 bei 307. Diese spezielle Figur dient zur Veranschaulichung der Tatsache, dass die Zeitkonstante für die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion (HOR) niedriger ist als die Verweilzeit für den Wasserstoffstrom. In diesem Fall kann es wünschenswert sein, den Heizvorgang auf eine Schlupfgrenze von 3%H zu beschränken. 5 hingegen vergleicht die Betriebsstromdichte (A/cm2) auf der x-Achse mit %H2 (im Auslass) auf der y-Achse bei einem eingestellten Entlüftungsprozentsatz (z. B. 10% H2-Entlüftung) für vier verschiedene Sauerstoffdurchsatzraten: ungefähr 1,6 SLPM (250kPa Kathodengegendruck) bei 401; ungefähr 1,6 SLPM (150kPa Kathodengegendruck) bei 403; ungefähr 0,6 SLPM bei 405; und ungefähr 0,3 SLPM bei 407. Ähnlich wie bei der % H2-Entlüftung zum Kathodeneingang kann die Durchflussrate der Wasserstoffmischluft und der Gegendruck der Kathode für eine effiziente Erwärmung und geringere Emissionen eingestellt werden. Aus diesen Kurven ist ersichtlich, dass ein Betrieb mit niedrigem Potential oder hoher Energie dazu beitragen kann, den Wasserstoffschlupf zu minimieren und mehr Abwärme und elektrische Energie zu gewinnen. Basierend auf den Emissionsbegrenzungen am Auslass kann ein unterer Grenzwert für die %H2-Entlüftung festgelegt werden. Es kann wünschenswert sein, zumindest für einige Anwendungen mit niedrigen Durchflussraten zu agieren, um die Abwärme für eine gegebene elektrische Energie zu maximieren. Um jedoch sicherzustellen, dass das Brennstoffzellensystem mit einer reduzierten Durchflussrate betrieben werden kann, kann die Eingangsdurchflussrate langsam erhöht werden, sodass das System die erforderliche elektrische Energie und die gewünschte Abwärme bereitstellen kann.
  • Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen implementiert werden, wie zum Beispiel Programmmodulen, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einem Onboard-Computer ausgeführt werden. Die Software kann in nicht einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen beinhalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, damit ein Computer entsprechend einer Eingabequelle reagieren kann. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben in Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden. Die Software kann auf einem beliebigen einer Vielzahl von Speichermedien, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM), gespeichert sein.
  • Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen einschließlich Mehrprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Mainframe-Computern und dergleichen durchgeführt werden. Zusätzlich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung ausgeführt werden, bei denen Aufgaben durch Femverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten angeordnet sein. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
  • Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung beinhalten durch: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung, und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software oder jedes Verfahren kann in einer Software enthalten sein, die auf einem greifbaren Medium, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder andere Speichervorrichtungen, gespeichert ist, jedoch werden Fachleute leicht erkennen, dass der gesamte Algorithmus und/oder Teile davon alternativ durch eine andere Vorrichtung als eine Steuerung ausgeführt werden können und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer gut bekannten Weise implementiert werden können (z. B. kann er durch einen anwendungsspezifischen integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), eine diskrete Logik usw. implementiert werden). Obwohl spezielle Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, wird der Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass viele andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen alternativ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der beschriebenen Blöcke können geändert, eliminiert oder kombiniert werden.
  • Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen definiert. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Regeln der Temperatur eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Anodenseite, eine Kathodenseite und erste und zweite Fluidsteuervorrichtungen zum Leiten des Wasserstoffstroms respektive des Sauerstoffstroms zum Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bestimmen einer Vorstarttemperatur des Brennstoffzellenstapels; Bestimmen einer Soll-Erwärmungsrate für die Vorstarttemperatur, um den Brennstoffzellenstapel auf eine kalibrierte Mindestbetriebstemperatur zu erwärmen; Bestimmen eines Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatzes für die bestimmte Soll-Erwärmungsrate; Ausführen eines Stapelheizbetriebs, einschließlich das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels und das Anweisen der ersten Fluidsteuervorrichtung, Wasserstoff auf die Kathodenseite mit dem Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zu leiten, sodass der Brennstoffzellenstapel Abwärme erzeugt; Bestimmen, nach einer kalibrierten Zeitspanne zum Ausführen des Stapelheizbetriebs, ob eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt; und als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Betriebstemperatur auf oder über der kalibrierten Mindestbetriebstemperatur des Stapels liegt, unterbrechen des Stapelheizbetriebs.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Betriebstemperatur nicht bei oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt: Anweisen der ersten Fluidsteuervorrichtung, Wasserstoff auf die Kathodenseite mit einem erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zum Erzeugen einer erhöhten Abwärme zu leiten; und Bestimmen, nach einer zweiten kalibrierten Zeitspanne von auf die Kathodenseite gerichtetem Wasserstoff mit dem erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen, ob eine tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels, die aus der erzeugten Abwärme hervorgeht, geringer ist als die Soll-Erwärmungsrate; und als Reaktion auf ein Bestimmen, dass die tatsächliche Erwärmungsrate niedriger ist als die Soll-Erwärmungsrate, Anweisen der ersten Fluidsteuervorrichtung, Wasserstoff mit einem erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz auf die Kathodenseite zu leiten, sodass der Brennstoffzellenstapel eine erhöhte Abwärme erzeugt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend: Bestimmen, nach einer zweiten kalibrierten Zeitspanne von auf die Kathodenseite gerichtetem Wasserstoff mit dem erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt; und als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Betriebstemperatur auf oder über der kalibrierten Mindestbetriebstemperatur des Stapels liegt, unterbrechen des Stapelheizbetriebs.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend, als Reaktion auf das Bestimmen, dass die Betriebstemperatur nicht bei oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt: Anweisen der ersten Fluidsteuervorrichtung, Wasserstoff auf die Kathodenseite mit einem erhöhten Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz zum Erzeugen einer erhöhten Abwärme zu leiten; Bestimmen, ob die tatsächliche Erwärmungsrate des Brennstoffzellenstapels, die aus der erzeugten Abwärme hervorgeht, niedriger ist als die Soll-Erwärmungsrate; und Bestimmen, ob die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels auf oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, worin das Bestimmen, ob die Betriebstemperatur bei oder über der kalibrierten minimalen Stapelbetriebstemperatur liegt, als Reaktion auf ein Bestimmen, dass die tatsächliche Erwärmungsrate nicht niedriger als die Soll-Erwärmungsrate ist, durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen einer modifizierten Sauerstoffdurchflussrate für die bestimmte Soll-Erwärmungsrate; und Anweisen der ersten Fluidsteuervorrichtung, den Sauerstoff während des Heizbetriebs auf die Kathodenseite mit der modifizierten Sauerstoffdurchflussrate zu leiten.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen eines Zellenspannungsausgangs für die bestimmte Soll-Erwärmungsrate; und Anweisen des Brennstoffzellenstapels zum Erzeugen der bestimmten Zellenspannung während des Heizbetriebs.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Wasserstoff-Entlüftungsprozentsatz etwa 5 bis 15 % H2 beträgt, wobei die Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels bei etwa 0,4 bis 0,8 V und einer Sauerstoffdurchflussrate zur Kathodenseite von etwa 0,5 bis 1,9 Standardlitern pro Minute liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Bestimmen einer Betriebsstromdichte (CD) für die bestimmte Soll-Erwärmungsrate; und Anweisen des Brennstoffzellenstapels, während des Heizbetriebs an der bestimmten Betriebs-CD zu agieren.
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