DE102021101841A1

DE102021101841A1 - Kathodeneinlassfeuchtigkeitserfassung mit universallambdasonde

Info

Publication number: DE102021101841A1
Application number: DE102021101841.2A
Authority: DE
Inventors: Seha Son; Richard E. Soltis; Jeffrey Scott Hepburn; William Frederick Sanderson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2021-08-05
Also published as: US20210242478A1; US11296343B2; CN113206272A

Abstract

Diese Offenbarung stellt Kathodeneinlassfeuchtigkeitserfassung mit Universallambdasonde bereit. Ein Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet zudem einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um dem Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen, eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde), die stromaufwärts des Kathodeneinlasses und stromabwärts des Kathodenbefeuchters positioniert und dazu konfiguriert ist, den Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen, und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und dazu konfiguriert ist, den Kathodenbefeuchter auf Grundlage des Sauerstoffgehalts des befeuchteten Einlassstroms zu betreiben.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und Verfahren zum Detektieren der Feuchtigkeit an einem Kathodeneinlass eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere zum Verwenden einer Universallambdasonde, um die Feuchtigkeit an dem Kathodeneinlass zu messen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Eine Art von Brennstoffzelle, die typischerweise in Fahrzeugen verwendet wird, ist die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (proton exchange membrane fuel cell - PEM-Brennstoffzelle), die eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Grenzflächen beinhaltet, wobei die Membran ein fester Polymermembranelektrolyt sein kann, der zwischen einer Anode und einer Kathode positioniert ist. Die Anode und die Kathode sind mit jeweiligen Stromabnehmern verbunden, wobei Öffnungen zur Gasverteilung für die Reaktanten, die in die Brennstoffzelle eintreten und aus dieser austreten, vorhanden sind. Die Zellen werden in einem befeuchteten Zustand betrieben, um die Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Falls zum Beispiel die PEM nicht ausreichend befeuchtet ist, nimmt die Leitfähigkeit der Protonen in der Membran ab, was sich auf die Zellleistungsfähigkeit auswirken kann. Des Weiteren kann, wenn das Niveau der Membranhydratation abnimmt, der Innenwiderstand zunehmen, wodurch die Ausgangsspannung und somit die Leistung reduziert wird. Zusätzlich kann eine niedrige Feuchtigkeit dazu führen, dass die PEM austrocknet, was im Laufe der Zeit zu einer Beeinträchtigung der Membran führen kann. Andererseits kann überschüssige Feuchtigkeit auch zu Problemen bei der Leistungsfähigkeit führen, indem sie verhindert, dass die Reaktanten zu den Katalysatorstellen diffundieren. Dieses Ergebnis wird durch Überfluten der Elektroden und Gaskanäle verursacht, falls die Wasserentfernung unzureichend ist, wodurch die Effizienz und Leistung der PEM reduziert werden.
Demnach ist das Feuchtigkeitsniveau an dem kathodenseitigen Einlass in einen PEM-Brennstoffzellenstapel für den Gesamtbetrieb des Brennstoffzellenstapels wichtig. Somit ist herkömmlicherweise ein Feuchtigkeitssensor an dem Kathodeneinlass bereitgestellt, um das Feuchtigkeitsniveau zu messen. Das Steuern des Wassergleichgewichts für die PEM erfordert genaue Wasserkonzentrationsmessungen bei Temperaturen, die sich 100 °C nähern, und Drücken von bis zu 3 bar absolut, oft bei oder nahe Sättigungsniveaus. Herkömmliche Feuchtigkeitserfassungstechnologien können die Anforderungen in rauen Umgebungen typischerweise nicht erfüllen. Da das Feuchtigkeitsniveau sowie das Temperaturniveau an dem Kathodeneinlass oftmals die normalen Umgebungsniveaus bei Weitem übersteigen, sind speziell ausgestaltete Feuchtigkeitssensoren in Instrumentenqualität erforderlich, die weitaus teurer sind als herkömmliche im Handel erhältliche Feuchtigkeitssensoren.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Brennstoffzellensystem einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-) Brennstoffzellen, die einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet zudem einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um dem Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen, eine Universallambdasonde (universal exhaust gas oxygen sensor - UEGO-Sonde), die stromaufwärts des Kathodeneinlasses und stromabwärts des Kathodenbefeuchters positioniert und dazu konfiguriert ist, den Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen, und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und dazu konfiguriert ist, den Kathodenbefeuchter auf Grundlage des Sauerstoffgehalts des befeuchteten Einlassstroms zu betreiben.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Luftverdichter beinhalten, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, um dem Kathodenbefeuchter einen Einlassluftstrom bereitzustellen, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, der aus dem Kathodenbefeuchter austritt. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden sein, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern. In mindestens einer anderen Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Luftverdichter beinhalten, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, sodass ein Wasserdampfstrom zu dem Einlassluftstrom aus dem Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden sein, sodass der Wasserdampfstrom gesteuert wird. In mindestens einer Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor und einen Drucksensor beinhalten, wobei sich sowohl der Temperatur- als auch der Drucksensor stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Fahrzeug einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die dazu angeordnet sind, dem Fahrzeug Leistung bereitzustellen, und einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet. Das Fahrzeug beinhaltet ferner einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um der Kathode über den Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde) stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts des Kathodeneinlasses, um einen Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden ist. Die Steuerung ist konfiguriert zum Bestimmen einer relativen Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms auf Grundlage des Sauerstoffgehalts, der von der UEGO-Sonde bereitgestellt wird, und, wenn die relative Feuchtigkeit geringer als eine vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, Betreiben des Kathodenbefeuchters, um die relative Feuchtigkeit zu erhöhen.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformformen kann das Fahrzeug ferner einen Luftverdichter beinhalten, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden sein, sodass die Steuerung das Ventil betreibt, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern. In mindestens einer anderen Ausführungsform kann das Fahrzeug einen Luftverdichter beinhalten, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, sodass ein Wasserdampfstrom zu dem Einlassluftstrom aus dem Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden sein, sodass die Steuerung das Ventil betreibt, um den Wasserdampfstrom zu steuern. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Fahrzeug einen Temperatursensor und einen Drucksensor beinhalten, wobei sich beide Sensoren stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden, wobei der Temperatur- und der Drucksensor der Steuerung Temperatur- bzw. Druckdaten zum Bestimmen der relativen Luftfeuchtigkeit bereitstellen. In mindestens einer Ausführungsform kann die Steuerung ferner dazu konfiguriert sein, wenn die relative Feuchtigkeit größer oder gleich der vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit ist und geringer als eine maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten. In mindestens noch einer anderen Ausführungsform kann die Steuerung ferner dazu konfiguriert sein, wenn die relative Feuchtigkeit größer als die maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit unter die maximale Feuchtigkeit zu reduzieren.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet ein Brennstoffzellensystem einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet zudem einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um dem Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde), die stromaufwärts des Kathodeneinlasses und stromabwärts des Kathodenbefeuchters positioniert und dazu konfiguriert ist, den Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden ist. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, den Kathodenbefeuchter auf Grundlage des Sauerstoffgehalts des befeuchteten Einlassstroms zu betreiben, sodass, wenn die relative Feuchtigkeit geringer als eine vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, der Kathodenbefeuchter die relative Feuchtigkeit erhöht, und wenn die relative Feuchtigkeit größer oder gleich der vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit ist und geringer als eine maximale Feuchtigkeit ist, der Kathodenbefeuchter die relative Feuchtigkeit aufrechterhält.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann die Steuerung ferner dazu konfiguriert sein, wenn die relative Feuchtigkeit größer als die maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit unter die maximale Feuchtigkeit zu reduzieren. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem einen Luftverdichter beinhalten, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, um dem Kathodenbefeuchter einen Einlassluftstrom bereitzustellen, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, der aus dem Kathodenbefeuchter austritt. In einer weiteren Ausführungsform kann der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden sein, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern. In mindestens einer Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem einen Luftverdichter beinhalten, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, wobei der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil, das einen Wasserdampfstrom steuert, der zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden ist. In einer oder mehreren Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Temperatursensor und einen Drucksensor beinhalten, wobei sich sowohl der Temperatur- als auch der Drucksensor stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform;
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform;
5 ist ein Graph, der einen Vergleich von H₂O-Volumenmessungen an dem Kathodeneinlass zwischen einem herkömmlichen System und einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt;
6 ist ein Graph, der einen Vergleich der relativen Feuchtigkeit an dem Kathodeneinlass zwischen einem herkömmlichen System und einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
7 ist ein Graph, der einen Vergleich der Taupunkttemperatur an dem Kathodeneinlass zwischen einem herkömmlichen System und einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nach Bedarf werden in dieser Schrift detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen umgesetzt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind die in dieser Schrift offenbarten spezifischen strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann den vielfältigen Einsatz der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Darüber hinaus sind alle numerischen Mengenangaben beim Beschreiben des breiteren Umfangs dieser Offenbarung als durch das Wort „etwa“ modifiziert zu verstehen, es sei denn, es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben. Eine Umsetzung innerhalb der genannten numerischen Grenzen ist im Allgemeinen bevorzugt. Zudem impliziert die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als geeignet oder bevorzugt für einen bestimmten Zweck in Verbindung mit der Offenbarung, dass Mischungen von zwei oder mehr beliebigen Elementen der Gruppe oder Klasse ebenso geeignet oder bevorzugt sein können, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist. Des Weiteren ist eine Umsetzung innerhalb der genannten numerischen Grenzen im Allgemeinen bevorzugt.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen sind ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Feuchtigkeit an dem Kathodeneinlass eines Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellenstapels bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde) an einem Kathodeneinlass zum Messen des Sauerstoffgehalts des in den Kathodeneinlass eintretenden Stroms. Die UEGO-Sonde misst den Sauerstoffgehalt unter rauen Bedingungen. Nach dem Messen des Sauerstoffgehalts kann das Feuchtigkeitsniveau des Kathodeneinlassstroms bestimmt werden. Des Weiteren kann eine Steuerung das Feuchtigkeitsniveau des Einlassstroms in die Kathode bestimmen und auf Grundlage des Feuchtigkeitsniveaus einen Kathodenbefeuchter betreiben, um die relative Feuchtigkeit des Stroms einzustellen. Demnach wird eine Alternative zum direkten Messen der Feuchtigkeit bereitgestellt.
Die UEGO-Sonde ist dazu in der Lage, das Sauerstoffkonzentrationsniveau zu messen, wenn es während des Befeuchtungsprozesses durch Wasser verdünnt wird. Die UEGO-Sonde ist für die Sauerstoffmessung (Volumenprozent) im Inneren des Abgasrohrs einer Brennkraftmaschine ausgestaltet worden und hat sich als solche erfolgreich beim Messen des Sauerstoffvolumenprozentsatzes unter rauen Bedingungen bewährt, da nahezu alle Benzinfahrzeuge, ebenso wie viele Dieselantriebsstränge, UEGO-Sonden als Teil der Motorsteuerungs- und -nachbehandlungssysteme einsetzen, um Emissionsanforderungen zu erfüllen. Somit kann durch Messen der Verdünnung des Sauerstoffs in der Luft an dem Kathodeneinlass das Feuchtigkeitsniveau des Stroms unter Verwendung des reduzierten Sauerstoffvolumenprozentsatzes zu dem von Wasserdampf bestimmt werden, mit einer vergleichbaren Genauigkeit wie der herkömmliche Feuchtigkeitssensor mit Instrumentenqualität.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer Ausführungsform bereitgestellt. Ein Luftverdichter 110 nimmt Luft 111 auf und stellt einem Kathodenbefeuchter 120 einen Einlassluftstrom 112 bereit. Der Kathodenbefeuchter stellt dem Einlassluftstrom 112 Wasserdampf bereit, um die relative Feuchtigkeit des Einlassluftstroms 112 zu erhöhen, wodurch der befeuchtete Einlassstrom 122 gebildet wird. Der befeuchtete Einlassstrom 122 wird einem Brennstoffzellenstapel 130 aus Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen bereitgestellt. Der Brennstoffzellenstapel 130 weist eine Kathodenseite 132 und eine Anodenseite 134 gegenüber der Kathodenseite auf. Der Stapel 130 ist durch ein Gehäuse oder austauschbar einen Körper definiert und beinhaltet einen Kühlmitteleinlass 140 und einen Kühlmittelauslass 145, einen Anodeneinlass 150 und einen Anodenauslass 155 (für Gas wie etwa Wasserstoff) und einen Kathodeneinlass 160 und einen Kathodenauslass 165. Der Kathodeneinlass 160 nimmt den befeuchteten Einlassstrom 122 aus dem Kathodenbefeuchter 120 auf. Die UEGO-Sonde 170 ist entlang des befeuchteten Einlassstroms 122 zwischen dem Kathodenbefeuchter 120 und dem Kathodeneinlass 160 positioniert, um den Sauerstoffgehalt der Luft in dem befeuchteten Einlassstrom 122 zu messen. Der befeuchtete Einlassstrom 122 kann auch andere Sensoren zwischen dem Kathodenbefeuchter 120 und dem Kathodeneinlass 160 beinhalten, wie etwa unter anderem einen Temperatursensor 172 und einen Drucksensor 174. In der Ausführungsform aus 1 wird der Einlassluftstrom 122 direkt dem Kathodenbefeuchter bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 beinhaltet ferner ein Ventil 180 auf einer stromabwärtigen Seite des Kathodenbefeuchters 120 und stromaufwärts der Sensoren 170, 172, 174. Das Ventil 180 steuert eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms 122 von dem Kathodenbefeuchter 120 zu dem Kathodeneinlass 160, sodass eine relative Feuchtigkeit des Stroms eingestellt werden kann.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist unter Bezugnahme auf die Ausführungsform aus 1 als Beispiel eine Steuerung (nicht gezeigt) mit dem Ventil 180 wirkverbunden und empfängt Eingaben von der UEGO-Sonde, dem Temperatur- und dem Drucksensor 170, 172 bzw. 174. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, die relative Feuchtigkeit anhand der Sauerstoffmessung von der UEGO-Sonde und durch Verwenden der Temperatur- und Druckdaten des befeuchteten Einlassstroms 122 zu bestimmen. Das Bestimmen der relativen Feuchtigkeit beinhaltet das Umrechnen des Sauerstoffgehalts in einen Wassergehalt (wie nachstehend durch GL. 1-GL. 6 gezeigt), das Messen des Gesamtdrucks des befeuchteten Einlassstroms und das Berechnen des Partialdrucks von Wasser in dem befeuchteten Einlassstrom. Anhand des Partialdrucks bestimmt die Steuerung die relative Feuchtigkeit durch Teilen des Sättigungsdrucks unter Verwendung der Temperaturmessung des befeuchteten Einlassstroms. Zusätzlich ist die Steuerung in gewissen Ausführungsformen dazu konfiguriert, die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms 122 mit einem vordefinierten Schwellenfeuchtigkeitsniveau zu vergleichen. Dieses vordefinierte Schwellenfeuchtigkeitsniveau beruht auf dem fehlerfreien Betrieb des PEM-Brennstoffstapels 130, sodass die Membranen nicht austrocknen. Falls die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms 122 geringer als das vordefinierte Schwellenfeuchtigkeitsniveau ist, signalisiert die Steuerung dem Ventil 180, die Strömung einzustellen (d. h. die Strömung zu erhöhen), um die Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms 122 auf Grundlage dessen zu erhöhen, dass der Kathodenbefeuchter 120 Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom 122 hinzufügt. Demnach kann durch Hinzufügen von Wasserdampf zu dem Lufteinlassstrom 112 ein stärker gesättigter befeuchteter Einlassstrom 122 gebildet werden, um die relative Feuchtigkeit zu erhöhen. Wenn das relative Feuchtigkeitsniveau gleich oder größer als das vordefinierte Schwellenfeuchtigkeitsniveau ist, werden das Ventil und der Kathodenbefeuchter so gesteuert, dass das relative Feuchtigkeitsniveau unter einem maximalen Feuchtigkeitsniveau gehalten wird. Wenn die relative Feuchtigkeit größer oder gleich dem maximalen Feuchtigkeitsniveau ist, betreibt die Steuerung das Ventil und den Kathodenbefeuchter so, dass die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Stroms reduziert wird, indem zum Beispiel der befeuchtete Strom mit trockener Luft verdünnt wird.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 gemäß einer anderen Ausführungsform bereitgestellt. Ein Luftverdichter 210 nimmt Luft 211 auf und stellt einen Einlassluftstrom 212 bereit. Der Einlassluftstrom 212 wird einem Brennstoffzellenstapel 230 aus Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen bereitgestellt. Der Brennstoffzellenstapel 230 weist eine Kathodenseite 232 und eine Anodenseite 234 gegenüber der Kathodenseite auf. Der Stapel 230 ist durch ein Gehäuse oder austauschbar einen Körper definiert und beinhaltet einen Kühlmitteleinlass 240 und einen Kühlmittelauslass 245, einen Anodeneinlass 250 und einen Anodenauslass 255 (für Gas wie etwa Wasserstoff) und einen Kathodeneinlass 260 und einen Kathodenauslass 265. Der Kathodeneinlass 260 nimmt Luft aus dem Einlassluftstrom 212 auf. Der Einlassluftstrom 212 kann durch Wasserdampf befeuchtet werden, der von einem Kathodenbefeuchter 220 hinzugefügt wird. Der Kathodenbefeuchter 220 stellt einen befeuchteten Luftstrom 222 aus trockener Luft 221 Wasserdampf bereit, der mit dem Einlassluftstrom 212 kombiniert werden soll, um die relative Feuchtigkeit des Einlassluftstroms 212 zu erhöhen, wodurch ein befeuchteter Einlassstrom 214 stromabwärts des Wasserdampfhinzufügungspunkts 224 gebildet wird. Die UEGO-Sonde 170 ist entlang des befeuchteten Einlassstroms 214 zwischen dem Wasserdampfhinzufügungspunkt 224 und dem Kathodeneinlass 260 positioniert, um den Sauerstoffgehalt der Luft in dem befeuchteten Einlassstrom 214 zu messen. Der befeuchtete Einlassstrom 214 kann auch andere Sensoren zwischen dem Wasserdampfhinzufügungspunkt 224 und dem Kathodeneinlass 260 beinhalten, wie etwa unter anderem einen Temperatursensor 272 und einen Drucksensor 274. In der Ausführungsform aus 2 wird der Einlassluftstrom 212 als Dampfstrom stromaufwärts des Kathodeneinlasses 260 bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 beinhaltet ferner ein Ventil 280 zwischen dem Kathodenbefeuchter 220 und dem Einlassluftstrom 212, sodass der Kathodenbefeuchter 220 dem Lufteinlassstrom 212 über den Wasserdampfhinzufügungspunkt 224 Wasserdampf bereitstellen kann. Der Wasserdampfhinzufügungspunkt 224 befindet sich stromaufwärts der Sensoren 270, 272, 274. Das Ventil 280 steuert eine Strömung von Wasserdampf von dem Kathodenbefeuchter 220 zu dem Lufteinlassstrom 212, sodass eine relative Feuchtigkeit des Stroms eingestellt werden kann, um einen befeuchteten Einlassstrom 214 zu dem Kathodeneinlass 260 bereitzustellen.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist unter Bezugnahme auf die Ausführungsform aus 2 als ein anderes Beispiel eine Steuerung (nicht gezeigt) mit dem Ventil 280 wirkverbunden und empfängt Eingaben von der UEGO-Sonde, dem Temperatur- und dem Drucksensor 170, 172 bzw. 174. Die Steuerung ist dazu konfiguriert, die relative Feuchtigkeit anhand der Sauerstoffmessung von der UEGO-Sonde und durch Verwenden der Temperatur- und Druckdaten des befeuchteten Einlassstroms 122 zu bestimmen. Das Bestimmen der relativen Feuchtigkeit beinhaltet das Umrechnen des Sauerstoffgehalts in einen Wassergehalt (wie nachstehend durch GL. 1-GL. 6 gezeigt), das Messen des Gesamtdrucks des befeuchteten Einlassstroms und das Berechnen des Partialdrucks von Wasser in dem befeuchteten Einlassstrom. Anhand des Partialdrucks bestimmt die Steuerung die relative Feuchtigkeit durch Teilen des Sättigungsdrucks unter Verwendung der Temperaturmessung des befeuchteten Einlassstroms. Zusätzlich ist die Steuerung in gewissen Ausführungsformen dazu konfiguriert, die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms 214 mit einem vordefinierten Schwellenfeuchtigkeitsniveau zu vergleichen. Dieses vordefinierte Schwellenfeuchtigkeitsniveau beruht auf dem fehlerfreien Betrieb des PEM-Brennstoffstapels 230, sodass die Membranen nicht austrocknen. Falls die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms 214 geringer als das vordefinierte Schwellenfeuchtigkeitsniveau ist, signalisiert die Steuerung dem Ventil 280, die Strömung von Wasserdampf zu dem Lufteinlassstrom 212 einzustellen (z. B. die Strömung zu erhöhen), um die Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms 214 zu erhöhen. Demnach kann durch Hinzufügen von Wasserdampf zu dem Lufteinlassstrom 212 ein stärker gesättigter befeuchteter Einlassstrom 214 stromabwärts des Wasserdampfhinzufügungspunkts 224 gebildet werden, um die an dem Kathodeneinlass 260 bereitgestellte relative Feuchtigkeit zu erhöhen. Wenn das relative Feuchtigkeitsniveau gleich oder größer als das vordefinierte Schwellenfeuchtigkeitsniveau ist, werden das Ventil 280 und der Kathodenbefeuchter 220 so gesteuert, dass das relative Feuchtigkeitsniveau unter einem maximalen Feuchtigkeitsniveau gehalten wird, und sie können in einigen Ausführungsformen eine kontinuierliche Strömung von Dampf bereitstellen, in anderen Ausführungsformen eine variable Strömung bereitstellen oder in noch anderen Ausführungsformen die Strömung von Wasserdampf anhalten. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit größer oder gleich dem maximalen Feuchtigkeitsniveau ist, betreibt die Steuerung das Ventil 280 so, dass die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Stroms reduziert wird, indem sie zum Beispiel das Ventil 280 schließt, um zu verhindern, dass Wasserdampf zu dem Lufteinlassstrom 212 hinzugefügt wird, oder in anderen Ausführungsform die Wasserdampfströmung durch das Ventil 280 reduziert, um einen weniger feuchten Strom zu dem Kathodeneinlass 260 bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Verfahren 300 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Bei Schritt 310 wird der Brennstoffzellenstapel betrieben, um dem Fahrzeug Antrieb bereitzustellen. Bei Schritt 320 misst die UEGO-Sonde den Sauerstoffgehalt, die Temperatur und den Druck an dem Kathodeneinlass der befeuchteten Luft, die in den Brennstoffzellenstapel eintritt. Der Sauerstoffgehalt wird dann bei Schritt 330 zum Beispiel durch eine Steuerung in einen H₂O-Gehalt umgerechnet. Darüber hinaus berechnet die Steuerung den Partialdruck von H₂O, um die relative Feuchtigkeit an dem Kathodeneinlass zu bestimmen. Bei Schritt 340 wird die relative Feuchtigkeit mit einer vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit verglichen. Falls die relative Feuchtigkeit bei Block 350 gleich oder über dem vordefinierten Schwellenwert ist, werden die Betriebsbedingungen des Systems bei Schritt 360 beibehalten (d. h. der Kathodenbefeuchter wird betrieben, um die relative Feuchtigkeit über dem vordefinierten Schwellenwert zu halten). Falls die relative Feuchtigkeit geringer als die vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, betreibt die Steuerung bei Schritt 370 den Kathodenbefeuchter und die Ventile, um die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms einzustellen, bis Schritt 350 erfüllt ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen, wie in 4 gezeigt, ist ein Verfahren 400 zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Bei Schritt 310 wird der Brennstoffzellenstapel betrieben, um dem Fahrzeug Antrieb bereitzustellen. Schritt 410 bis 440 sind denen in 3 ähnlich. Bei Schritt 440 wird die relative Feuchtigkeit mit einer vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit und einer maximalen Feuchtigkeit verglichen. Falls die relative Feuchtigkeit bei Block 450 gleich oder über dem vordefinierten Schwellenwert und unter der maximalen Feuchtigkeit ist, werden die Betriebsbedingungen des Systems bei Schritt 460 beibehalten (d. h. der Kathodenbefeuchter wird betrieben, um die relative Feuchtigkeit über dem vordefinierten Schwellenwert zu halten). Falls die relative Feuchtigkeit geringer als die vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, betreibt die Steuerung bei Schritt 470 den Kathodenbefeuchter und die Ventile, um die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms einzustellen, bis Schritt 450 erfüllt ist. Falls gleichermaßen die relative Feuchtigkeit über der maximalen Feuchtigkeit ist, betreibt die Steuerung bei Schritt 470 den Kathodenbefeuchter und die Ventile, um die relative Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms einzustellen, bis Schritt 450 erfüllt ist. Somit kann ein fehlerfreier Brennstoffstapelbetrieb erreicht werden, um die Zykluslebensdauer der PEM-Membran zu fördern.
Die spezifische Platzierung der UEGO-Sonde an dem Kathodeneinlass stellt eine genaue Umrechnung des Sauerstoffgehalts in die relative Feuchtigkeit bereit. Trockene Atmosphärenluft besteht zu etwa 20,95 % aus Sauerstoff, wobei der Rest zu etwa 79,05 % ein Gemisch aus Stickstoff, Argon und zusätzlichen weniger bedeutenden Gasspezies ist. Diese Zusammensetzung der Luft ändert sich nicht mit dem Druck und der Temperatur, was darauf hinweist, dass sie überall mit Atmosphäre gilt, die eingeatmet werden kann, wobei es sich um die Bedingungen handelt, unter denen der PEM-Brennstoffzellenstapel betrieben wird. Darüber hinaus gilt dieses Verhältnis der Luftzusammensetzung auch bei höherem Druck, wie etwa, nachdem Luft durch einen Luftverdichter verdichtet worden ist, und gilt auch bei erhöhten Temperaturen wie in den Einlassströmen des Brennstoffzellensystems. In einer oder mehreren Ausführungsformen ändert sich, wenn Wasserdampf (oder austauschbar Wasserdampf) die einzige zusätzliche Komponente ist und dem Luftstrom über den Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, die Zusammensetzung der Luft, während das Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff (plus trockener Rest) unverändert bleibt. Somit nimmt der Sauerstoffgehalt in dem Kathodeneinlassstrom nur ab, wenn mehr Wasserdampf hinzugefügt wird. Da die UEGO-Sonde speziell dazu ausgestaltet worden ist, Sauerstoffkonzentrationen zwischen 0 % und 25 % zu messen, und da keine anderen Faktoren beteiligt sind, wird die Genauigkeit dieses Messverfahrens durch die Spezifikationen der UEGO-Sonde definiert und ist daher mit der Messung durch einen herkömmlichen Spezialfeuchtigkeitssensor vergleichbar, wie nachstehend in den Versuchsergebnissen gezeigt. Da die UEGO-Sonde den Sauerstoffpartialdruck misst, erfordert die Sauerstoffmessung einen Druckkorrekturfaktor, für den Druckkorrekturkurven von den Sensorlieferanten bereitgestellt werden.
Da diese Umrechnung von Sauerstoffgehalt in relative Feuchtigkeit nur gültig ist, wenn Atmosphärenluft und einzelne zusätzliche Wasserdampfkomponente gemischt werden, kann die UEGO-Sonde nicht an Stellen platziert werden, an denen die Atmosphärenluftzusammensetzung durch chemische Reaktionen verändert wird, wie etwa an der Kathodenauslassseite des Stapels oder innerhalb des Abgasrohrs der IC-Maschine.
Insbesondere kann der Sauerstoffgehalt an dem Kathodeneinlass verwendet werden, um die relative Feuchtigkeit des Einlassstroms zu bestimmen und die Feuchtigkeit unter Verwendung des Kathodenbefeuchters weiter einzustellen, da der Luft nur Wasserdampf hinzugefügt wird, wodurch die Variablen begrenzt werden und ermöglicht wird, dass die Umrechnung in relative Feuchtigkeit zutrifft. Der Wasserdampfgehalt des Stroms an dem Kathodeneinlass kann unter Verwendung von GL. 1 mit dem durch die UEGO-Sonde gemessenen Sauerstoffgehalt bestimmt werden: $o_{2 f} = \frac{O_{2}}{R + O_{2} + H_{2} O}$
Wobei O₂ der Anteil an trockener Luft ist und gleich etwa 0,2095 ist; R der Rest von Luft, der nicht O₂ ist, im trockenen Zustand ist und gleich etwa 0,7905 ist; und H₂O der hinzugefügte Wasserdampfgehalt der trockenen Luft ist. O_2f ist der O₂-Anteil im nassen Zustand (≤0,2095), wobei es sich um die durch die UEGO-Sonde bereitgestellte Messung handelt. Unter Verwendung der bekannten Zusammensetzung von Luft kann GL. 1 zu GL. 2 vereinfacht werden: $\frac{0,2095}{0,7905 + 0,2095 + H_{2} O} = \frac{0,2095}{1 + H_{2} O} \leq 0,2095$
Nach dem Auflösen von GL. 2 nach H₂O stellt GL. 3 den hinzugefügten Dampfgehalt der trockenen Luft bereit: $H_{2} O = \frac{0,2095}{O_{2 f}} - 1$
Um H₂O_f, den Wasserdampfanteil im nassen (befeuchteten) Zustand (d. h. die relative Feuchtigkeit), zu bestimmen, wird schließlich GL. 3 in GL. 4 eingesetzt und zu GL. 5 vereinfacht: $H_{2} O_{f} = \frac{H_{2} O}{1 + H_{2} O}$
$\frac{\frac{0,2095}{O_{2 f}} - 1}{\frac{0,2095}{O_{2 f}}} = 1 - \frac{O_{2 f}}{0,2095}$
Somit ist GL. 5 für die relative Feuchtigkeit H₂O_f vereinfacht GL. 6, die durch die Steuerung verwendet werden kann, um die relative Feuchtigkeit an dem Kathodeneinlass unter Verwendung einer Sauerstoffgehaltsmessung von der UEGO-Sonde zu bestimmen: $H_{2} O_{f} = 1 - \frac{O_{2 f}}{0,2095}$
Versuchsergebnisse
Ein 18-mm-Sensorvorsprung wurde für eine UEGO-Sonde installiert, die sich an dem Kathodeneinlass zu dem Brennstoffzellenstapel befindet. Die für diese Tests verwendete UEGO-Sonde war eine handelsübliche Lambdasonde des Typs ZFAS-U3 (Teilenummer HS7A-9Y460-BB) von NTK. NTK stellte zudem die Sensorsteuerung bereit, die kalibriert wurde, um die Sauerstoffkonzentration als ihre Ausgabe bereitzustellen. Zum Vergleich wurde ein herkömmlicher Vaisala-Feuchtigkeitssensor mit einer Sonde (HMT310) (im Folgenden Vaisala) ebenfalls an einer Stelle benachbart zu der UEGO-Sonde an dem Kathodeneinlass eingesetzt. Die Ausgabe aus dem Vaisala maß die Taupunkttemperatur, um sie mit der Ausgabe der UEGO-Sonde zu korrelieren. Nachdem Daten von der Lambdasonde (relative Sauerstoffkonzentration) und dem herkömmlichen Vaisala-Feuchtigkeitssensor (Taupunkt) erlangt wurden, wurden die zweckmäßigen Umrechnungen vorgenommen, sodass ein Vergleich für drei Variablen vorgenommen werden konnte, nämlich (1) H₂O-Volumenprozentsatz, (2) relative Feuchtigkeit und (3) Taupunkttemperatur. Getrennt davon wurden der lokale Druck und die lokale Temperatur unabhängig aufgezeichnet, um sie je nach Bedarf zum Umrechnen zwischen den vorstehenden drei Werten zu verwenden.
5 zeigt den Vergleich des H₂O-Volumenprozentsatzes zwischen der UEGO-Sonde und dem herkömmlichen Vaisala-Sensor an dem Kathodeneinlass. Anfänglich wurde die UEGO-Sonde im Labor unter Verwendung von reinen Gasen von N₂ und O₂ von Airgas in einem Strömungsprüfstand mit kalibrierten Massenstromsteuerungen kalibriert. Wie zuvor erwähnt, erfordert die Umrechnung der rohen Sensorausgabe (Pumpstrom) in O₂-Volumenprozent eine zusätzliche Druckkorrektur anhand der Druckkurven, die mit der UEGO-Sonde bereitgestellt werden. Diese Korrektur wird häufig für Anwendungen mit dem Sensor in dem Abgasrohr einer IC-Maschine in Verbindung mit dem Motorsteuermodul verwendet. Schließlich wurde die korrigierte O₂-Konzentration unter Verwendung des vorstehend dargelegten Umrechnungsprozesses in H₂O-Prozent umgerechnet. Für den Vaisala-Sensor wird, um die Taupunkttemperatur (Sensorausgabe) in H₂O-Volumenprozent umzurechnen, der Taupunktdruck anhand der Taupunkttemperatur berechnet und dann durch den (lokalen) Gesamtdruck geteilt. Der für das Beispiel verwendete Fahrzyklus ist das Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) und es ist nur eine Dauer von 250 Sekunden, von etwa 350 bis 600 Sekunden ab dem Start, in 5 gezeigt.
6 zeigt den Vergleich der relativen Feuchtigkeit zwischen der UEGO-Sonde und dem herkömmlichen Vaisala-Sensor an dem Kathodeneinlass. Der Partialdruck für die UEGO-Sonde wurde durch Multiplizieren des Gesamtdrucks mit dem H₂O-Volumenprozentsatz berechnet und dann durch den anhand der lokalen Temperatur berechneten Sättigungsdampfdruck geteilt. Der Partialdruck für den Vaisala-Sensor ist der Taupunktdruck, wie vorstehend berechnet, geteilt durch den Sättigungsdruck, der der lokalen Temperatur entspricht.
7 zeigt den Vergleich der Taupunkttemperatur zwischen der UEGO-Sonde und dem herkömmlichen Vaisala-Sensor an dem Kathodeneinlass. Für die UEGO-Sonde wurde die Taupunkttemperatur unter Verwendung des Partialdrucks (vorstehend berechnet) mit dem Taupunktdruck umgerechnet, um die Taupunkttemperatur zu berechnen. Der Vaisala-Sensor gibt den Taupunkttemperaturwert direkt aus.
Wie gezeigt, kann die UEGO-Sonde ähnliche Ergebnisse wie der Vaisala-Sensor bereitstellen, als eine kostengünstigere Option, die dazu in der Lage ist, raueren Bedingungen standzuhalten als der Vaisala-Sensor. Die UEGO-Sonde wird seit Langem erfolgreich zur Sauerstoffvolumenprozentmessung in rauen Umgebungen verwendet und hat sich für diesen Zweck bewährt. Wir haben gezeigt, dass die UEGO-Sonde mit einfachen numerischen Umrechnungen zum genauen Bestimmen des Wasserdampfprozentsatzes an dem Kathodeneinlass eines SOFC-Stapels verwendet werden könnte und dass das Berechnen der relativen Feuchtigkeit oder Taupunkttemperatur ohne zusätzliche Software oder Hardware ohne Weiteres erreichbar ist.
Da alle drei Feuchtigkeitsvariablen, wie in 5-7 gezeigt und nachstehend beschrieben, eng mit der gegebenen lokalen Temperatur und dem gegebenen lokalen Druck zusammenhängen, ist eine gute Korrelation einer Variablen in diesem Beispiel ausnahmslos ein guter Hinweis auf eine enge Übereinstimmung der verbleibenden zwei Feuchtigkeitswerte. Dementsprechend scheint die UEGO-Sondenmessung sehr gut mit dem Vaisala-Wert zu korrelieren, wie in 5-7 gezeigt. Es ist anzumerken, dass die Verläufe zeigen, dass die Messungen von der UEGO-Sonde typischerweise genauer sind und einen größeren Betrag an den Spitzen aufweisen, da die Reaktionszeit der UEGO-Sonde viel kürzer ist als die von Vaisala. Insgesamt ist die Verwendung von UEGO an dem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels für zukünftige Anwendungen gut erwiesen.
Demnach ist ein Fahrzeugbrennstoffzellensystem bereitgestellt, das eine UEGO-Sonde an dem Kathodeneinlass beinhaltet. Die UEGO-Sonde kann raueren Bedingungen innerhalb des Brennstoffzellensystems standhalten und den Sauerstoffgehalt des Einlassstroms an dem Kathodeneinlass bereitstellen, um die relative Feuchtigkeit des Stroms zu bestimmen. Ein Kathodenbefeuchter kann die Feuchtigkeit des Einlassstroms auf Grundlage der Messungen der UEGO-Sonde und einer Steuerung einstellen, um die Leistungsfähigkeit des Brennstoffstapels zu verbessern und die Fehlerfreiheit der PEM-Membran sicherzustellen. Demnach kann ein im Vergleich zu herkömmlichen direkten Feuchtigkeitssensoren kostengünstigerer und strapazierfähigerer Sensor an dem Kathodeneinlass verwendet werden, um die Feuchtigkeit des Einlassstroms zu überwachen.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke beschreibende und keine einschränkenden Ausdrücke und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener umsetzender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet; einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um dem Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde), die stromaufwärts des Kathodeneinlasses und stromabwärts des Kathodenbefeuchters positioniert und dazu konfiguriert ist, den Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und dazu konfiguriert ist, den Kathodenbefeuchter auf Grundlage des Sauerstoffgehalts des befeuchteten Einlassstroms zu betreiben.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Luftverdichter gekennzeichnet, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, um dem Kathodenbefeuchter einen Einlassluftstrom bereitzustellen, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, der aus dem Kathodenbefeuchter austritt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Luftverdichter gekennzeichnet, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, sodass ein Wasserdampfstrom zu dem Einlassluftstrom aus dem Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden, sodass der Wasserdampfstrom gesteuert wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Temperatursensor und einen Drucksensor gekennzeichnet, wobei sich sowohl der Temperatur- als auch der Drucksensor stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die dazu angeordnet sind, dem Fahrzeug Leistung bereitzustellen, und einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet; einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um der Kathode über den Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde) stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts des Kathodeneinlasses, um einen Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und konfiguriert ist zum Bestimmen einer relativen Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms auf Grundlage des Sauerstoffgehalts, der von der UEGO-Sonde bereitgestellt wird, und, wenn die relative Feuchtigkeit geringer als eine vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, Betreiben des Kathodenbefeuchters, um die relative Feuchtigkeit zu erhöhen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Luftverdichter gekennzeichnet, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden, sodass die Steuerung das Ventil betreibt, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Luftverdichter gekennzeichnet, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, sodass ein Wasserdampfstrom zu dem Einlassluftstrom aus dem Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden, sodass die Steuerung das Ventil betreibt, um den Wasserdampfstrom zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor und einen Drucksensor, wobei sich beide Sensoren stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden, wobei der Temperatur- und der Drucksensor der Steuerung Temperatur- bzw. Druckdaten zum Bestimmen der relativen Luftfeuchtigkeit bereitstellen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, wenn die relative Feuchtigkeit größer oder gleich der vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit ist und geringer als eine maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, wenn die relative Feuchtigkeit größer als die maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit unter die maximale Feuchtigkeit zu reduzieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das Folgendes aufweist: einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet; einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um dem Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde), die stromaufwärts des Kathodeneinlasses und stromabwärts des Kathodenbefeuchters positioniert und dazu konfiguriert ist, den Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und dazu konfiguriert ist, den Kathodenbefeuchter auf Grundlage des Sauerstoffgehalts des befeuchteten Einlassstroms zu betreiben, sodass, wenn die relative Feuchtigkeit geringer als eine vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, der Kathodenbefeuchter die relative Feuchtigkeit erhöht, und wenn die relative Feuchtigkeit größer oder gleich der vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit ist und geringer als eine maximale Feuchtigkeit ist, der Kathodenbefeuchter die relative Feuchtigkeit aufrechterhält.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner dazu konfiguriert, wenn die relative Feuchtigkeit größer als die maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit unter die maximale Feuchtigkeit zu reduzieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Luftverdichter gekennzeichnet, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, um dem Kathodenbefeuchter einen Einlassluftstrom bereitzustellen, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, der aus dem Kathodenbefeuchter austritt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Luftverdichter gekennzeichnet, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, wobei der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil, das einen Wasserdampfstrom steuert, der zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch einen Temperatursensor und einen Drucksensor gekennzeichnet, wobei sich sowohl der Temperatur- als auch der Drucksensor stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden.

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet; einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um dem Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde), die stromaufwärts des Kathodeneinlasses und stromabwärts des Kathodenbefeuchters positioniert und dazu konfiguriert ist, den Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und dazu konfiguriert ist, den Kathodenbefeuchter auf Grundlage des Sauerstoffgehalts des befeuchteten Einlassstroms zu betreiben.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Luftverdichter, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, um dem Kathodenbefeuchter einen Einlassluftstrom bereitzustellen, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden, der aus dem Kathodenbefeuchter austritt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Luftverdichter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, sodass ein Wasserdampfstrom zu dem Einlassluftstrom aus dem Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden ist, sodass der Wasserdampfstrom gesteuert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Temperatursensor und einen Drucksensor, wobei sich sowohl der Temperatur- als auch der Drucksensor stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden.
Fahrzeug, umfassend: einen Stapel von Protonenaustauschmembran-(PEM-)Brennstoffzellen, die dazu angeordnet sind, dem Fahrzeug Leistung bereitzustellen, und einen Körper definieren, wobei der Körper einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass, die einer Kathode entsprechen, einen Anodeneinlass und einen Anodenauslass, die einer Anode entsprechen, beinhaltet; einen Kathodenbefeuchter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, um der Kathode über den Kathodeneinlass einen befeuchteten Einlassstrom bereitzustellen; eine Universallambdasonde (UEGO-Sonde) stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts des Kathodeneinlasses, um einen Sauerstoffgehalt des befeuchteten Einlassstroms zu messen; und eine Steuerung, die mit dem Kathodenbefeuchter und der UEGO-Sonde verbunden und konfiguriert ist zum Bestimmen einer relativen Feuchtigkeit des befeuchteten Einlassstroms auf Grundlage des Sauerstoffgehalts, der von der UEGO-Sonde bereitgestellt wird, und, wenn die relative Feuchtigkeit geringer als eine vordefinierte Schwellenfeuchtigkeit ist, Betreiben des Kathodenbefeuchters, um die relative Feuchtigkeit zu erhöhen.
Fahrzeug nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Luftverdichter, der fluidisch mit dem Kathodenbefeuchter verbunden ist, sodass Wasserdampf zu dem Einlassluftstrom hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei der Kathodenbefeuchter über ein Ventil stromaufwärts der UEGO-Sonde fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist, sodass die Steuerung das Ventil betreibt, um eine Strömung des befeuchteten Einlassstroms zu der Kathode zu steuern.
Fahrzeug nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Luftverdichter, der fluidisch mit dem Kathodeneinlass verbunden ist und einen Einlassluftstrom stromaufwärts der UEGO-Sonde und des Kathodenbefeuchters bereitstellt, sodass ein Wasserdampfstrom zu dem Einlassluftstrom aus dem Kathodenbefeuchter hinzugefügt wird, um den befeuchteten Einlassstrom zu bilden.
Fahrzeug nach Anspruch 10, wobei der Kathodenbefeuchter durch ein Ventil fluidisch mit dem Einlassluftstrom verbunden ist, sodass die Steuerung das Ventil betreibt, um den Wasserdampfstrom zu steuern.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor und einen Drucksensor beinhaltet, wobei sich beide Sensoren stromabwärts des Kathodenbefeuchters und stromaufwärts der UEGO-Sonde befinden, wobei der Temperatur- und der Drucksensor der Steuerung Temperatur- bzw. Druckdaten zum Bestimmen der relativen Luftfeuchtigkeit bereitstellen.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, wenn die relative Feuchtigkeit größer oder gleich der vordefinierten Schwellenfeuchtigkeit ist und geringer als eine maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Steuerung ferner dazu konfiguriert ist, wenn die relative Feuchtigkeit größer als die maximale Feuchtigkeit ist, den Kathodenbefeuchter zu betreiben, um die relative Feuchtigkeit unter die maximale Feuchtigkeit zu reduzieren.