DE112006000867B4

DE112006000867B4 - Verfahren zum Beginn einer Kühlmittelzirkulation, um eine MEA-Überhitzung beim Kaltstart zu verhindern und Brennstoffzellenstapel dazu

Info

Publication number: DE112006000867B4
Application number: DE112006000867T
Authority: DE
Inventors: Eric L. Thomson; Yan Zhang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-04-14
Filing date: 2006-01-03
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2026-01-04
Also published as: US20060234092A1; CN101199067B; DE112006000867T5; CN101199067A; WO2006112897A3; US7393602B2; JP2008536288A; JP4986991B2; WO2006112897A2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung, wann eine Kühlmittelpumpe (16) in einem Brennstoffzellensystem (10) beim Systemstart gestartet werden soll, wobei das Brennstoffzellensystem (10) einen Brennstoffzellenstapel (12) aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass:
eine Starttemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) bestimmt (44) wird;
eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels (12) berechnet (60, 64) wird;
eine durchschnittliche Zellenspannung für die Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12) berechnet (68) wird;
eine durchschnittliche Stromdichte der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12) berechnet (70) wird;
die berechnete Stromdichte skaliert (74, 78) wird, um lokale Ungleichförmigkeiten in den Brennstoffzellen zu berücksichtigen;
eine ursprüngliche Heizrate des Brennstoffzellenstapels (12) über ein vorbestimmtes Zeitintervall berechnet (80) wird;
die ursprüngliche Heizrate auf Grundlage der Startemperatur skaliert (86, 92, 94) wird, um eine korrigierte Heizrate vorzusehen und damit Wärmeverluste von einem Steuervolumenelement einzuschließen;
auf Grundlage der Stromdichte für eine Temperaturberechnung bestimmt...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Steuern einer Kühlmittelzirkulation zu einem Brennstoffzellenstapel beim Kaltstart und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei das System ein Steuerschema zum Zirkulieren eines Kühlfluides durch den Brennstoffzellenstapel zum richtigen Zeitpunkt während eines Kaltstarts verwendet, um so zu verhindern, dass die Brennstoffzellen durch überhöhte Temperaturen beschädigt werden.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement, eine Befeuchtungs- und Temperatursteuerung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Strömungsfeldplatten oder Bipolarplatten auf, die zwischen den MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite jeder MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite jeder MEA strömen kann. Die Bipolarplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, so dass sie die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität von einer Zelle zu der nächsten Zelle wie auch aus dem Stapel herausleiten.
Es ist notwendig, dass eine Brennstoffzelle bei einer optimalen relativen Feuchte und einer optimalen relativen Temperatur arbeitet, um einen effizienten Stapelbetrieb sowie eine Haltbarkeit vorzusehen. Eine typische Stapelbetriebstemperatur für einen Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel liegt zwischen 60°–80°C. Überhöhte Stapeltemperaturen oberhalb der optimalen Temperatur können Brennstoffzellenkomponenten beschädigen, was die Lebensdauer der Brennstoffzellen reduziert. Auch reduzieren Stapeltemperaturen unterhalb der optimalen Temperatur die Stapelleistungsfähigkeit. Daher verwenden Brennstoffzellensysteme thermische Subsysteme, die ein Kühlfluid durch Strömungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel lenken, um seine Temperatur zu steuern.
Kühlsysteme für Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise in den Druckschriften WO 2004/086546 A2 und US 2004/0033396 A1 offenbart.
Beim Fahrzeugstart liegt der Brennstoffzellenstapel typischerweise gut unterhalb seiner optimalen Betriebstemperatur, insbesondere in Niedertemperaturumgebungen. Es ist erwünscht, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels so schnell wie möglich auf seine Betriebstemperatur anzuheben, um die Stapelleistung zu erhöhen, was eine Minute oder länger dauern kann. Um zu ermöglichen, dass der Brennstoffzellenstapel seine Betriebstemperatur schnell erreicht, wird das Kühlfluid für eine bestimmte Zeitdauer nach dem Start nicht durch den Stapel geführt, um zu ermöglichen, dass sich der Stapel als Ergebnis der durch den elektrochemischen Prozess erzeugten Abwärme schnell aufheizt. Auch sind verschiedene Vorgehensweisen in der Technik bekannt, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels beim Stapelstart schneller zu erhöhen, wie ein Mischen von Wasserstoff in die Kathodenseite der Brennstoffzellen, um eine Verbrennung vorzusehen, die dazu verwendet werden kann, den Stapel zu erhitzen. Wenn ferner eine Strömung aus kaltem Kühlmittel zirkuliert wird, bevor der Stapel warm genug ist, kann die Leistungsfähigkeit des Stapels leiden und Zellen können als Ergebnis des kalten Kühlmittels ausfallen.
Es ist wichtig zu verhindern, dass sich die MEAs beim Startprozess überhitzen und eine Degradation erfahren. In der Technik ist es bekannt, die Temperatur des Kathodenabgases von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels während des Brennstoffzellenstarts zu messen, um die Brennstoffzellenstapeltemperatur zu bestimmen und damit die Kühlfluidströmung zu dem richtigen Zeitpunkt zu starten. Typischerweise wird, wenn die Kathodenausgangstemperatur 25° bis 40°C erreicht, die Kühlmittelpumpe gestartet, um die Kühlmittelströmung durch den Stapel zu zirkulieren. Jedoch ist entdeckt worden, dass, wenn die Kathodenabgastemperatur in diesem Temperaturbereich liegt, die Temperatur von einigen Abschnitten der MEAs in den Brennstoffzellen 100°C überschreiten kann. Es wird angenommen, dass, wenn die MEAs diesen hohen Temperaturen fortgesetzt und wiederholt ausgesetzt werden, dies in einer Materialzersetzung und Haltbarkeitsproblemen, wie Stiftlöchern in der MEA, resultieren kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die vorstehend genannten Missstände zu beseitigen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren offenbart, um die Innentemperatur eines Brennstoffzellenstapels beim Kaltstapelstart zu bestimmen, um so eine Kühlfluidströmung zu starten, bevor die Innentemperatur des Stapels über eine Temperatur ansteigt, die die Brennstoffzellen in dem Stapel beschädigen könnte. Das System und das Verfahren umfassen, dass eine Anfangsstapeltemperatur von entweder einem Umgebungstemperatursensor oder einem Sensor in dem Stapelkühlfluidverteiler bestimmt wird, die Spannung des Stapels gemessen wird und der Strom von dem Stapel gemessen wird, und aus diesen Werten und der spezifischen Wärmekapazität der Stapelmaterialien die Abwärme von dem Stapel bestimmt wird, um seine Temperatur zu bestimmen. Wenn Wasserstoff an die Kathodenseite des Stapels beim Start geliefert wird, dann umfassen das System und das Verfahren auch, dass der Durchfluss des Wasserstoffs bestimmt wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass die Starttemperatur des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird; eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines niedrigen Heizwertes oder eines hohen Heizwertes berechnet wird; eine durchschnittliche Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird; eine durchschnittliche Stromdichte der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird; die berechnete Stromdichte skaliert wird, um lokale Ungleichförmigkeiten zu berücksichtigen; eine Heizrate des Brennstoffzellenstapels berechnet wird; die berechnete Heizrate auf Grundlage der Temperatur skaliert wird, um Wärmeverluste von einem Steuervolumenelement einzuschließen; auf Grundlage der Stromdichte bestimmt wird, ob die skalierte Heizrate oder die nicht skalierte Heizrate für eine Temperaturberechnung verwendet wird; eine erzeugte Energie in dem Steuervolumenelement auf Grundlage der skalierten oder nicht skalierten Heizrate über ein vorbestimmtes Zeitintervall berechnet wird; eine Temperaturzunahme in dem Steuervolumenelement auf Grundlage der Energie in dem Steuervolumenelement und der spezifischen Wärmekapazität des Steuervolumenelementes berechnet wird; eine neue Temperatur des Steuervolumenelementes auf Grundlage der erhöhten Temperatur des Steuervolumenelementes berechnet wird; und die Kühlmittelpumpe gestartet wird, wenn die neue Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur liegt. Wenn Wasserstoff an die Kathodenseite des Stapels beim Start geliefert wird, umfasst das Verfahren ferner, dass ein Wärmeeingang von dem Durchfluss des Wasserstoffs zu der Kathodenseite berechnet wird und die Heizrate und der Wärmeeingang verwendet werden, um die Energie in dem Steuervolumenelement über das Zeitintervall zu berechnen.
Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, dass eine Technik verwendet, um zu bestimmen, wann ein Kühlfluid durch einen Brennstoffzellenstapel bei einem Kaltsystemstart gepumpt werden soll, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2a bis 2i sind Flussdiagramme, die den Betrieb der in 1 gezeigten Technik darstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren gerichtet ist, um eine Kühlfluidströmung zu einem Brennstoffzellenstapel bei einem Start des Brennstoffzellensystems zu starten, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Ein Kühlfluid, wie Wasser, wird durch Kühlmittelströmungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12 und eine externe Leitung 14 durch eine Pumpe 16 gepumpt. Gemäß der Erfindung steuert ein elektronisches Steuermodul (ECM) 18 den Start der Pumpe 16 bei einem Kaltfahrzeugstart auf Grundlage einer berechneten Innentemperatur des Brennstoffzellenstapels 12, wie nachfolgend detailliert beschrieben ist. Das ECM 18 sagt die wärmste Temperatur in dem Stapel 12 während eines Kaltstarts voraus, wenn kein Kühlfluid durch den Stapel 12 strömt, indem ein hypothetisches Steuervolumenelement definiert wird und die Temperatur des Steuervolumenelements berechnet wird. Bei einer Ausführungsform ist das Steuervolumenelement ein Abschnitt einer repräsentativen Platte, einer Diffusionsmediumschicht oder einer MEA in einer der Brennstoffzellen in dem Stapel 12, der zu Modellierungszwecken verwendet wird.
Das ECM 18 nimmt ein Temperatursignal von einem Temperatursensor 20, der in einem Kühlfluidverteiler in dem Stapel 12 positioniert ist, und/oder einem Umgebungstemperatursensor 22 auf. Das ECM 18 nimmt auch ein Stapelspannungssignal von einem Spannungssensor 28 in dem Stapel 12 und ein Stapelstromsignal von einem Stromsensor 46 in dem Stapel 12 auf. Bei einer Ausführungsform kann Wasserstoff in die Kathodenseite des Stapels 12 beim Start abgelassen werden, um eine Verbrennung für eine schnellere Erhöhung der Temperatur des Stapels 12 vorzusehen. Das ECM 18 nimmt auch das Wasserstoffablassdurchflusssignal von einem Strömungsmesser 24 oder einem Impulsinjektor auf, der in einer Kathodeneingangsleitung 26 zu dem Stapel 12 positioniert ist.
Die 2a–2i sind Flussdiagramme 30, die den Betriebsablauf zur Berechnung der Innentemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 beim Kaltstart gemäß der Erfindung zeigen. Es sei angemerkt, dass die verschiedenen Werte, die von dem ECM 18 verwendet werden, auf das unten Bezug genommen wird, Werte sind, die für eine bestimmte Anwendung auf Grundlage von Experimenten und Simulationen für eine optimale Leistungsfähigkeit bestimmt sind. Wie für den Fachmann angemerkt sei, können für andere Anwendungen andere Werte verwendet werden.
Das ECM 18 bestimmt bei Entscheidungsraute 32 auf Grundlage des Temperatursignals von dem Temperatursensor 20 oder 22 zuerst, ob ein Kaltstartprotokoll erforderlich ist. Bei einer Ausführungsform ist das Kaltstartprotokoll nicht erforderlich, wenn die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Kühlfluides in dem Verteiler größer als 5°C ist. Wenn das Kaltstartprotokoll bei der Entscheidungsraute 32 nicht erforderlich ist, dann durchläuft das ECM 18 einen normalen Startbetrieb bei Kasten 34, indem das Kühlfluid unmittelbar durch den Brennstoffzellenstapel 12 gepumpt wird. Wenn das Kaltstartprotokoll der Erfindung bei der Entscheidungsraute 32 erforderlich ist, dann startet das ECM 18 bei Kasten 36 die Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen zu dem Stapel 12. Das ECM 18 bestimmt dann bei der Entscheidungsraute 38, ob eine Leerlaufspannung (OCV) von dem Stapel 12 erreicht ist, so dass der Stapel 12 so lange nicht belastet wird, bis alle Zellen eine ausreichende Spannung erzeugen. Bei einer Ausführungsform beträgt diese Leerlaufspannung etwa 700 mV. Wenn die OCV bei der Entscheidungsraute 38 nicht erreicht worden ist, dann wartet das ECM 18 für eine gewisse vorbestimmte Zeitperiode bei Kasten 40, bis die Soll-OCV bei der Entscheidungsraute 38 erreicht worden ist. Sobald die OCV bei der Entscheidungsraute 38 erreicht worden ist, ermöglicht das ECM 18 bei Kasten 42, dass eine Last auf den Brennstoffzellenstapel 12 aufgebracht werden kann. Das ECM 18 startet dann einen Zeitgeber und das Steuermodul zur Berechnung der Stapeltemperatur mit der Starttemperatur bei Kasten 44.
Das ECM 18 setzt bei Kasten 54 ein Schleifenzeitintervall. Bei dieser Ausführungsform ist das Schleifenzeitintervall auf eine Sekunde gesetzt. Das ECM 18 bestimmt dann bei der Entscheidungsraute 52, ob ein Wasserstoffablass verwendet wird. Wenn der Wasserstoffablass verwendet wird, speichert das ECM 18 die Starttemperatur bei Kasten 56, die entweder durch den Temperatursensor 20 oder den Umgebungstemperatursensor 22 für das erste Mal oder die berechnete Temperatur aus der Berechnung unten vorgesehen wird.
Das ECM 18 bestimmt dann eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels 12 als die Durchschnittsspannung jeder Zelle unter Verwendung entweder eines niedrigen Heizwertes (LHV) oder eines hohen Heizwertes (HHV). Der HHV wird verwendet, wenn die Stapeltemperatur unter einer vorbestimmten Temperatur liegt, da das Produkt aus der elektrochemischen Reaktion flüssiges Wasser ist. Das ECM 18 verwendet den LHV, wenn die gespeicherte Temperatur über der vorbestimmten Temperatur liegt, da das Produkt aus der elektrochemischen Reaktion Wasserdampf ist. Insbesondere bestimmt das ECM 18 bei Entscheidungsraute 58, ob die gespeicherte Temperatur über oder unter 60°C liegt. Wenn die gespeicherte Temperatur unter 60°C liegt, dann berechnet das ECM 18 die theoretische Spannung unter Verwendung des HHV bei Kasten 60 und speichert die theoretische Spannung bei Kasten 62. Bei einer Ausführungsform wird die theoretische Spannung unter Verwendung des HHV als 1,47995 + (0,00005 mal dem gespeicherten Temperaturwert) berechnet. Wenn jedoch die gespeicherte Temperatur größer oder gleich 60°C ist, dann berechnet das ECM 18 die theoretische Spannung bei Kasten 64 unter Verwendung des LHV und speichert bei dem Kasten 62 die theoretische Spannung. Bei einer Ausführungsform wird die theoretische Spannung unter Verwendung des LHV als 1,25193 + (0,00005 mal dem gespeicherten Temperaturwert) berechnet.
Das ECM 18 berechnet dann bei Kasten 66 einen Wärmeeingangswert aus dem Wasserstoffablass auf Grundlage des gemessenen Durchflusses des Wasserstoffs von dem Durchflusssensor 24, der an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird. Bei einer Ausführungsform verwendet das ECM 18 die folgende Gleichung, um den Wärmeeingang in Watt (W) zu berechnen, wobei der Durchfluss Standardkubikzentimeter pro Minute (SCCM) ist.
Das ECM 18 berechnet dann bei Kasten 68 die durchschnittliche Zellenspannung als die gemessene Stapelspannung von dem Spannungssensor 28 geteilt durch die Anzahl von Zellen in dem Stapel 12. Das ECM 18 berechnet dann bei Kasten 70 die durchschnittliche Stromdichte (CD) des Brennstoffzellenstapels 12 als den gemessenen Stapelstrom von dem Stromsensor 46 geteilt durch die aktive Fläche jeder Zelle.
Das ECM 18 verwendet dann einen Korrekturfaktor, um die Stromdichte zu skalieren, um lokale Ungleichförmigkeiten in den Brennstoffzellen zu berücksichtigen. Durch Experimente ist bestimmt worden, dass es nicht notwendig ist, die Stromdichte zu skalieren oder zu korrigieren, wenn sie größer als 0,6 A/cm² ist, da die Stromdichte über die gesamte Zelle relativ gleichförmig ist. Das ECM 18 bestimmt bei der Entscheidungsraute 72, ob die durchschnittliche Stromdichte kleiner als 0,6 A/cm² ist. Wenn die durchschnittliche Stromdichte kleiner als 0,6 A/cm² ist, dann multipliziert das ECM 18 bei Kasten 74 die Stromdichte mit dem Skalierfaktor 1,7 und speichert die skalierte Stromdichte bei Kasten 76. Wenn die durchschnittliche Stromdichte bei der Entscheidungsraute 72 gleich oder größer als 0,6 A/cm² ist, dann multipliziert das ECM 18 bei Kasten 78 die Stromdichte mit 1 (keine Korrektur) und speichert die nicht skalierte Stromdichte bei dem Kasten 76.
Das ECM 18 berechnet dann bei Kasten 80 einen Heizratenwert des Brennstoffzellenstapels 12 über das vorbestimmte Zeitintervall. Bei einer Ausführungsform wird der Heizratenwert in Watt berechnet als:
(theoretische Spannung – durchschnittliche Spannung des Brennstoffzellenstapels 12)·die skalierte Stromdichte des Brennstoffzellenstapels 12·die aktive Fläche von jeder der Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 Das ECM 18 speichert dann den berechneten Heizratenwert bei Kasten 82.
Das ECM 18 skaliert dann den Heizratenwert, um Wärmeverluste von dem Steuervolumenelement einzuschließen. Bei höheren Temperaturen bleiben nur etwa 10% der von dem Steuervolumenelement erzeugten Wärme in dem Steuervolumenelement und 90% der Wärme gehen von dem Steuervolumenelement an andere Gebiete der Brennstoffzelle oder seine Umgebung verloren. Insbesondere bestimmt das ECM 18 bei der Entscheidungsraute 84, ob die gespeicherte Temperatur größer als 25°C ist. Wenn die Temperatur bei der Entscheidungsraute 84 nicht größer als 25°C ist, dann multipliziert das ECM 18 den Heizratenwert mit Eins (keine Skalierung) und speichert den nicht skalierten Heizratenwert bei Kasten 88. Wenn die Temperatur bei der Entscheidungsraute 84 größer als 25°C ist, dann bestimmt das ECM 18 bei der Entscheidungsraute 90, ob die Temperaturgrößer als 45°C ist. Wenn die Temperatur bei der Entscheidungsraute 90 nicht größer als 45°C ist, dann multipliziert das ECM 18 bei Kasten 92 den Heizratenwert mit 0,5 und speichert den skalierten Heizratenwert bei dem Kasten 88. Wenn die Temperatur bei der Entscheidungsraute 90 größer als 45°C ist, dann multipliziert das ECM 18 bei Kasten 94 den Heizratenwert mit 0,10 (10%) und speichert den skalierten Heizratenwert bei dem Kasten 88.
Es ist bestimmt worden, dass ein Wärmeverlust von dem Stapel 12 nur bei niedrigeren Stromdichten erfolgt. Bei höheren Stromdichten existiert nicht ausreichend Zeit, um die Wärme aus dem Steuervolumenelement und aus dem Stapel 12 zu transportieren, und daher ist der Wärmeverlust nicht signifikant. Somit wird, wenn die durchschnittliche Stromdichte größer als ein vorbestimmter Wert ist, der Heizratenwert nicht korrigiert. Wenn jedoch die durchschnittliche Stromdichte kleiner als der vorbestimmte Wert ist und die Temperatur größer als 25°C ist, dann wird der Heizratenwert korrigiert, um den Wärmeverlust zu kompensieren. Insbesondere bestimmt das ECM 18 bei Entscheidungsraute 96, ob die durchschnittliche Stromdichte kleiner als 0,25 A/cm² ist. Wenn die durchschnittliche Stromdichte bei der Entscheidungsraute 96 kleiner als 0,25 A/cm² ist, dann führt das ECM 18 bei Kasten 98 die Temperaturberechnung, wie nachfolgend beschrieben ist, mit dem skalierten Heizratenwert aus, der in dem Kasten 88 gespeichert ist, und speichert dann den korrigierten Heizratenwert bei Kasten 100. Wenn die durchschnittliche Stromdichte bei der Entscheidungsraute 96 gleich oder größer als 0,25 A/cm² ist, dann führt das ECM 18 die Temperaturberechnung bei Kasten 102 mit dem nicht skalierten Heizratenwert aus, der in dem Kasten 82 gespeichert ist, und speichert dann den nicht skalierten Heizratenwert bei dem Kasten 100.
Das ECM 18 berechnet dann bei Kasten 104 die Energie in dem Steuervolumenelement über das Schleifenzeitintervall. Bei einer Ausführungsform ist die Berechnung in Joule (J) gegeben durch: [Heizrate + Wärmeeingang]·Zeitintervall = [J]
Das ECM 18 berechnet dann bei Kasten 106 die soweit erfolgte Temperaturzunahme in dem Steuervolumenelement. Bei einer Ausführungsform wird die Temperaturzunahme in dem Steuervolumenelement durch die Energie in dem Steuervolumenelement geteilt durch das Produkt der Masse des Steuervolumenelementes mal der spezifischen Wärmekapazität des Steuervolumenelementes über das Schleifenzeitintervall (E/MCp) bestimmt.
Dann berechnet das ECM bei Kasten 108 die neue Temperatur des Steuervolumenelementes durch Addition der berechneten Temperaturzunahme bei dem Kasten 106 plus der gespeicherten Temperatur bei dem Kasten 56. Die gespeicherte Temperatur bei dem Kasten 56 wird die Starttemperatur von dem Temperatursensor 20 oder 22 oder wird die vorher berechnete neue Temperatur, wenn das ECM 18 das Flussdiagramm 30 schleifenartig durchläuft. Die neue Temperatur ist die berechnete Temperatur des Steuervolumenelementes und ist repräsentativ für die heißeste Brennstoffzelle in dem Stapel 12. Die neue Temperatur wird dazu verwendet, um zu bestimmen, ob die Kühlmittelpumpe 16 gestartet werden sollte.
Das ECM 18 bestimmt dann bei Entscheidungsraute 110, ob die neue Temperatur größer als 70°C ist. Wenn die Temperatur kleiner oder gleich 70°C ist, dann kehrt das ECM 18 zu dem Kasten 54 zurück, um die neue Temperatur des Steuervolumenelementes durch die oben beschriebenen Schritte neu zu berechnen. Wenn jedoch die Temperatur des Steuervolumenelementes größer als 70°C ist, dann startet das ECM 18 die Kühlmittelpumpe 16 bei Kasten 112 und fährt bei Kasten 114 mit einem normalen Brennstoffzellensystembetrieb nach dem Start fort. Bei einer Ausführungsform kann die Pumpe 16 gepulst sein, um die Menge an kaltem Kühlfluid, das in den Stapel 12 eintritt, zu begrenzen.
Wenn das ECM 18 bei der Entscheidungsraute 52 bestimmt, dass kein Wasserstoffablass verwendet wird, dann läuft das ECM 18 durch den Prozess zur Berechnung der Temperatur des Steuervolumenelementes auf Grundlage verschiedener Werte in nahezu derselben Weise, wie es für einen Wasserstoffablass durchgeführt wird. Insbesondere wird die Temperatur bei Kasten 116 gespeichert, und die theoretische Spannung wird bei der Entscheidungsraute 118 und den Kästen 120–124 berechnet und gespeichert. Derselbe HHV und LHV werden zur Bestimmung der theoretischen Spannung verwendet, wie es für den Wasserstoffablass durchgeführt wird. Da bei diesem Prozess kein Wasserstoffablass erfolgt, berechnet das ECM 18 nicht den Wärmeeingang bei Kasten 66. Die durchschnittliche Zellenspannung und die durchschnittliche Stromdichte werden bei den Kästen 126 bzw. 128 berechnet. Die Stromdichte wird dann bei Entscheidungsraute 130 und den Kästen 130–136 skaliert. Für die Stromdichteskalierung ohne Wasserstoffablass betragen die multiplizierten Werte 1,52 und 1,44.
Der Heizratenwert wird dann bei den Kästen 138 bzw. 140 berechnet und gespeichert. Der Heizratenwert wird bei Entscheidungsrauten 142 und 148 und Kästen 144, 146, 150 und 152 unter Verwendung derselben Korrekturwerte, wie bei dem Wasserstoffablass, skaliert und gespeichert. Das ECM bestimmt dann bei Entscheidungsraute 154 und den Kästen 156 bis 160, ob der ursprüngliche Heizratenwert oder der skalierte Heizratenwert für die Temperaturberechnung verwendet werden. Das ECM 18 berechnet dann die Energie in dem Steuervolumenelement über das Schleifenzeitintervall bei Kasten 162, das Temperaturinkrement in dem Steuervolumenelement bei Kasten 164 und die neue Temperatur bei Kasten 166. Das ECM 18 bestimmt dann bei Entscheidungsraute 168, ob die neue Temperatur in dem Steuervolumenelement größer als 70°C ist, und kehrt dann zurück, wenn dies nicht der Fall ist, um die neue Temperatur bei dem Kasten 116 zu bestimmen. Wenn die Temperatur größer als 70°C ist, startet dann das ECM 18 die Pumpe 16 bei Kasten 170 und kehrt bei Kasten 172 zu dem normalen Brennstoffzellensystembetrieb zurück.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung, wann eine Kühlmittelpumpe (16) in einem Brennstoffzellensystem (10) beim Systemstart gestartet werden soll, wobei das Brennstoffzellensystem (10) einen Brennstoffzellenstapel (12) aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Starttemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) bestimmt (44) wird; eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels (12) berechnet (60, 64) wird; eine durchschnittliche Zellenspannung für die Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12) berechnet (68) wird; eine durchschnittliche Stromdichte der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12) berechnet (70) wird; die berechnete Stromdichte skaliert (74, 78) wird, um lokale Ungleichförmigkeiten in den Brennstoffzellen zu berücksichtigen; eine ursprüngliche Heizrate des Brennstoffzellenstapels (12) über ein vorbestimmtes Zeitintervall berechnet (80) wird; die ursprüngliche Heizrate auf Grundlage der Startemperatur skaliert (86, 92, 94) wird, um eine korrigierte Heizrate vorzusehen und damit Wärmeverluste von einem Steuervolumenelement einzuschließen; auf Grundlage der Stromdichte für eine Temperaturberechnung bestimmt (96) wird, ob die korrigierte Heizrate oder die ursprüngliche Heizrate verwendet wird; eine Energie in dem Steuervolumenelement auf Grundlage der bestimmten Heizrate über das Zeitintervall berechnet (104) wird; eine Temperaturzunahme des Steuervolumenelementes auf Grundlage der Energie in dem Steuervolumenelement berechnet (106) wird; eine neue Temperatur des Steuervolumenelementes auf Grundlage der Temperaturzunahme des Steuervolumenelementes berechnet (108) wird; die Kühlmittelpumpe (16) gestartet (112) wird, wenn die neue Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur liegt; und die neue Temperatur als die Starttemperatur verwendet (56) wird, um den Prozess zur Berechnung der neuen Temperatur zu wiederholen, wenn die neue Temperatur kleiner als die vorbestimmte Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass bestimmt (52) wird, ob ein Wasserstoffablass an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels geliefert wird, und ein Wärmeeingang auf Grundlage eines Durchflusses des Wasserstoffs zu der Kathodenseite berechnet (66) wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Berechnen (104) einer Energie in dem Steuervolumenelement auf Grundlage der bestimmten Heizrate umfasst, dass die bestimmte Heizrate plus dem Wärmeeingang summiert wird und dann das summierte Ergebnis mal dem vorbestimmten Zeitintervall multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen (44) einer Starttemperatur des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass eine erfasste Temperatur von einem Temperatursensor (20) in einem Kühlfluidverteiler in dem Stapel oder eine erfasste Temperatur von einem Umgebungstemperatursensor (22) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen (60, 64) einer theoretischen Spannung des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines niedrigen Heizwertes berechnet (64) wird, wenn die gespeicherte Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur liegt, bei der ein Produkt des Brennstoffzellenstapels (12) Wasserdampf ist, und unter Verwendung eines hohen Heizwertes berechnet (60) wird, wenn die Starttemperatur unter der vorbestimmten Temperatur liegt, bei der das Produkt des Brennstoffzellenstapels (12) flüssiges Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Skalieren (74, 78) der berechneten Stromdichte umfasst, dass die Stromdichte skaliert (74) wird, wenn die Stromdichte kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und die berechnete Stromdichte nicht skaliert (78) wird, wenn die Stromdichte über dem vorbestimmten Wert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen (80) einer ursprünglichen Heizrate des Brennstoffzellenstapels (12) über ein vorbestimmtes Zeitintervall umfasst, dass die durchschnittliche Spannung von der theoretischen Spannung subtrahiert wird und dann die Stromdichte und eine aktive Fläche der Brennstoffzellen mit dem subtrahierten Wert multipliziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Skalieren (86, 92, 94) der ursprünglichen Heizrate, um eine korrigierte Heizrate vorzusehen und damit Wärmeverluste von einem Steuervolumenelement einzuschließen, umfasst, dass die ursprüngliche Heizrate mit einem ersten vorbestimmten Wert multipliziert (92) wird, wenn die Starttemperatur größer als eine erste vorbestimmte Temperatur, jedoch kleiner als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist, die ursprüngliche Heizrate mit einem zweiten vorbestimmten Wert multipliziert (94) wird, wenn die Starttemperatur größer als die zweite vorbestimmte Temperatur ist, und die ursprüngliche Heizrate mit Eins multipliziert (86) wird, wenn die Starttemperatur kleiner als die erste vorbestimmte Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen (96), ob die korrigierte Heizrate oder die ursprüngliche Heizrate für die Temperaturberechnung verwendet werden soll, umfasst, dass die korrigierte Heizrate verwendet (98) wird, wenn die durchschnittliche Stromdichte unter einer vorbestimmten Stromdichte liegt, und die ursprüngliche Heizrate verwendet (102) wird, wenn die durchschnittliche Stromdichte größer als die vorbestimmte Stromdichte ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen (108) einer Temperaturzunahme des Steuervolumenelementes auf Grundlage der Energie in dem Steuervolumenelement umfasst, dass die Energie in dem Steuervolumenelement durch das Produkt der Masse des Steuervolumenelementes mal der spezifischen Wärmekapazität des Steuervolumenelementes dividiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass bestimmt (38) wird, ob eine vorbestimmte Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels erreicht worden ist, bevor eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels (12) berechnet (60, 64) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuervolumenelement ein Abschnitt einer MEA, eines Diffusionsmediums und einer Bipolarplatte in dem Brennstoffzellenstapel (12) ist.
Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Stapel aus Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel umfasst: einen Temperatursensor (20, 22) zur Erfassung einer Starttemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) und zum Bereitstellen eines Temperatursignals; einen Spannungssensor (28) zum Messen der Spannung des Stapels und zum Bereitstellen eines Stapelspannungssignals; einen Stromsensor (46) zur Messung des Stroms des Stapels und zum Bereitstellen eines Stapelstromsignals; eine Pumpe (16) zum Pumpen eines Kühlfluids durch den Brennstoffzellenstapel (12); und ein elektronisches Steuermodul (18) zur Bestimmung, wann die Pumpe (16) zum Pumpen des Kühlfluides durch den Brennstoffzellenstapel (12) bei einem Kaltstapelstart gestartet werden soll, wobei das elektronische Steuermodul (18) das Temperatursignal, das Spannungssignal und das Stromsignal verwendet, um eine Temperatur eines Steuervolumenelementes in dem Stapel zu bestimmen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, ferner mit einem Strömungssensor (24) zur Messung einer Wasserstoffströmung zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) beim Start und zum Bereitstellen eines Wasserstoffablasssignals, wobei das elektronische Steuermodul auch das Wasserstoffablasssignal verwendet, um die Temperatur des Steuervolumenelementes zu bestimmen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei der Temperatursensor (20, 22) aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: Kühlfluidverteiler-Temperatursensoren (20) und Umgebungstemperatursensoren (22).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei das elektronische Steuermodul (18) eine theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels (12) auf Grundlage dessen berechnet (60, 64), ob der Stapel Produktwasserflüssigkeit oder Produktdampf erzeugt, eine durchschnittliche Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12) berechnet (68), eine durchschnittliche Stromdichte der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12) berechnet (70) und die berechnete Stromdichte skaliert (86, 92, 94), um lokale Ungleichförmigkeiten in den Brennstoffzellen zu berücksichtigen, um die Temperatur des Steuervolumenelementes zu bestimmen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei das elektronische Steuermodul (18) eine ursprüngliche Heizrate des Brennstoffzellenstapels (12) über ein vorbestimmtes Zeitintervall berechnet (80), die ursprüngliche Heizrate auf Grundlage des Temperatursignals skaliert (86, 92, 94), um eine korrigierte Heizrate vorzusehen und damit Wärmeverluste von dem Steuervolumenelement einzuschließen, und auf Grundlage der Stromdichte der Brennstoffzellen bestimmt (96), ob die korrigierte Heizrate oder die ursprüngliche Heizrate für eine Temperaturberechnung verwendet werden soll.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei das elektronische Steuermodul (18) eine Energie in dem Steuervolumenelement auf Grundlage der bestimmten Heizrate über das Zeitintervall berechnet (104), eine Temperaturzunahme des Steuervolumenelementes auf Grundlage der Energie in dem Steuervolumenelement berechnet (106) und die Temperatur des Steuervolumenelementes auf Grundlage der Temperaturzunahme berechnet (108).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei das elektronische Steuermodul (18) die theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels (12) unter Verwendung eines niedrigen Heizwertes berechnet (64), wenn die gespeicherte Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur liegt, bei der das Produkt Wasserdampf ist, und einen hohen Heizwert verwendet (60), wenn die Starttemperatur unter der vorbestimmten Temperatur liegt, bei der das Produkt flüssiges Wasser ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei das elektronische Steuermodul (18) die berechnete Stromdichte skaliert (74), wenn die Stromdichte kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, und die berechnete durchschnittliche Stromdichte nicht skaliert (78), wenn die Stromdichte über dem vorbestimmten Wert liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei das elektronische Steuermodul (18) die ursprüngliche Heizrate des Brennstoffzellenstapels durch Subtrahieren der durchschnittlichen Spannung von der theoretischen Spannung und dann Multiplizieren der Stromdichte und einer aktiven Fläche der Brennstoffzellen mit dem subtrahierten Wert berechnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, wobei das elektronische Steuermodul (18) die ursprüngliche Heizrate skaliert, indem die ursprüngliche Heizrate mit einem ersten vorbestimmten Wert multipliziert (92) wird, wenn die Starttemperatur größer als eine erste vorbestimmte Temperatur, jedoch kleiner als eine zweite vorbestimmte Temperatur ist, die ursprüngliche Heizrate mit einem zweiten vorbestimmten Wert multipliziert (94), wenn die Starttemperatur größer als die zweite vorbestimmte Temperatur ist, und die ursprüngliche Heizrate mit Eins multipliziert (86), wenn das Temperatursignal kleiner als die erste vorbestimmte Temperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, wobei das elektronische Steuermodul (18) die korrigierte Heizrate verwendet (98), wenn die durchschnittliche Stromdichte unter einer vorbestimmten Stromdichte liegt, und die ursprüngliche Heizrate verwendet (102), wenn die durchschnittliche Stromdichte größer als die vorbestimmte Stromdichte ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei das elektronische Steuermodul (18) die Temperaturzunahme des Steuervolumenelementes dadurch berechnet, dass die Energie in dem Steuervolumenelement durch das Produkt der Masse des Steuervolumenelementes mal der spezifischen Wärmekapazität des Steuervolumenelementes dividiert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, wobei das elektronische Steuermodul (18) bestimmt (38), ob eine Leerlaufspannung des Brennstoffzellenstapels (12) erreicht worden ist, bevor die theoretische Spannung des Brennstoffzellenstapels (12) berechnet (60, 64) wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, wobei das Steuervolumenelement ein Abschnitt einer MEA, eines Diffusionsmediums und einer Bipolarplatte in dem Stapel ist.