DE102009005647B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung der relativen Feuchtigkeit eines Brennstoffzellensystem-Kathodeneinlasses - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellensystem, welches umfasst:
einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass;
eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) mit einem Nasseinlasskanal und einem Trockenauslasskanal, wobei der Nasseinlasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass steht und der Trockenauslasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass steht;
ein Ventil mit einem oberstromigen Einlass und einem unterstromigen Auslass, wobei der oberstromige Einlass in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass und dem Nasseinlasskanal steht und dazwischen angeordnet ist, wobei das Ventil derart ausgebildet ist, um selektiv ein Fluid, welches aus dem Brennstoffzellenstapel über den Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in den Nasseinlasskanal eintritt; und
einen Controller, welcher derart ausgebildet ist, um
einen Zielwert für eine Betriebseigenschaft eines Fluids zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt,
einen gemessenen Wert für ein Fluid zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt,
eine gewünschte WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu ermitteln,
eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads zu ermitteln,
eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate zu ermitteln,
eine Ventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Ventilmodells und des gemessenen Wertes für das Fluid zu ermitteln, und
die ermittelte Ventilposition zu verwenden, um das Ventil derart zu beeinflussen, um das Fluid, welches aus dem Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert der Betriebseigenschaft im Wesentlichen dem Zielwert der Betriebseigenschaft entspricht.
einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass;
eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) mit einem Nasseinlasskanal und einem Trockenauslasskanal, wobei der Nasseinlasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass steht und der Trockenauslasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass steht;
ein Ventil mit einem oberstromigen Einlass und einem unterstromigen Auslass, wobei der oberstromige Einlass in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass und dem Nasseinlasskanal steht und dazwischen angeordnet ist, wobei das Ventil derart ausgebildet ist, um selektiv ein Fluid, welches aus dem Brennstoffzellenstapel über den Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in den Nasseinlasskanal eintritt; und
einen Controller, welcher derart ausgebildet ist, um
einen Zielwert für eine Betriebseigenschaft eines Fluids zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt,
einen gemessenen Wert für ein Fluid zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt,
eine gewünschte WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu ermitteln,
eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads zu ermitteln,
eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate zu ermitteln,
eine Ventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Ventilmodells und des gemessenen Wertes für das Fluid zu ermitteln, und
die ermittelte Ventilposition zu verwenden, um das Ventil derart zu beeinflussen, um das Fluid, welches aus dem Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert der Betriebseigenschaft im Wesentlichen dem Zielwert der Betriebseigenschaft entspricht.
Description
- Hintergrund
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und im Spezielleren ein System und ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit oder des Taupunktes des Kathodenzuflusses eines Brennstoffzellensystems.
- Brennstoffzellen werden als eine Leistungsquelle für elektrische Fahrzeuge, stationäre Leistungsversorgungen und weitere Anwendungen verwendet. Eine bekannte Brennstoffzelle ist die Protonenaustauschmembran(„PEM”)-Brennstoffzelle, welche eine Vielzahl von Membran/Elektroden-Anordnungen („MEAs”) umfasst. Eine MEA umfasst einen dünnen, festen Polymermembranelektrolyten mit einer Anode auf einer Fläche und einer Kathode auf der gegenüberliegenden Fläche und ist zwischen einem Paar von elektrisch leitfähigen Kontaktelementen angeordnet, welche als Stromabnehmer für die Anode und die Kathode dienen. Die Abnehmer enthalten typischerweise geeignete Kanäle und Öffnungen, um die gasförmigen Reaktanden (z. B. Wasserstoff/H2 und Sauerstoff/O2) der Brennstoffzelle über den Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.
- PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Vielzahl der MEAs in elektrischer Reihe (kollektiv als ein Stapel bezeichnet), während sie von der nächsten durch ein undurchlässiges, elektrisch leitfähiges Kontaktelement getrennt sind, welches als eine bipolare Platte oder Stromabnehmer bekannt ist.
- Die Brennstoffzellen werden auf eine Weise betrieben, welche die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Die Kathoden- und/oder Anodenreaktandengase, welche der Brennstoffzelle zugeführt werden, sind typischerweise befeuchtet, um ein Austrocknen der MEAs an den Stellen in der Nähe der Reaktandengaseinlässe zu verhindern. Der Grad der Feuchtigkeit der MEAs beeinflusst die Leistung der Brennstoffzelle. Außerdem kann, wenn eine MEA zu trocken läuft, die MEA beschädigt werden, was zu einem unmittelbaren Versagen oder einer Verringerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle führen kann.
- Der Betrieb der Brennstoffzellen, wenn die MEAs zu sehr befeuchtetet sind, kann jedoch ebenfalls die Leistung des Brennstoffzellenstapels einschränken. Insbesondere die Bildung von flüssigem Wasser kann die Diffusion von Gas zu den MEAs behindern und dadurch deren Leistung einschränken. Flüssiges Wasser kann auch als eine Strömungsblockade wirken, welche die Zellenströmung reduziert und eine noch höhere relative Brennstoffzellenfeuchtigkeit verursacht, die zu einer instabilen Brennstoffzellenleistung führen kann. Überdies kann die Bildung von flüssigem Wasser innerhalb einer Zelle beträchtlichen Schaden verursachen, wenn die Brennstoffzelle ausgeschaltet ist und Frostbedingungen ausgesetzt ist. Das heißt, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist und die Temperatur in der Brennstoffzelle unter den Gefrierpunkt abfällt, wird das flüssige Wasser darin gefrieren und sich ausdehnen und möglicherweise die Brennstoffzelle beschädigen.
- In den Druckschriften
DE 10 2006 058 834 A1 undDE 10 2006 058 833 A1 sind Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Betrieb von Brennstoffzellensystem beschrieben. - Zusammenfassung
- Die Erfindung sieht ein System vor, bei dem ein Kathodenabfluss selektiv um eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) herum abgezweigt wird, um so die relative Feuchtigkeit (oder den Taupunkt) des Kathodeneinlasses des Systems bei oder im Wesentlichen bei einer festgelegten relativen Feuchtigkeit bzw. relativen Zielfeuchtigkeit (oder Taupunkt) zu halten. In einer Ausführungsform kann die (der) gemessene relative Feuchtigkeit (oder Taupunkt) des Kathodeneinlasses verwendet werden, um die Menge des um die WVTD herum abgezweigten Kathodenabflusses zu steuern. In einer weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Membranleitfähigkeit verwendet werden, um die Menge des um die WVTD herum abgezweigten Kathodenabflusses zu steuern. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Kathodenabfluss abgezweigt werden, ohne auf eine/n gemessene/n relative Feuchtigkeit, Taupunkt oder Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeit zurückzugreifen oder darauf angewiesen zu sein. In diesem letztgenannten Ansatz wird der festgelegte Betriebsparameter (z. B. die relative Feuchtigkeit oder der Taupunkt des Kathodeneinlasses) als in einem offenen Regelkreis gesteuert bezeichnet.
- In weiteren Ausführungsformen kann ein Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit einem Verfahren gesteuert werden, welches ein WVTD-Umgehungsventil derart beeinflusst, um die relative Feuchtigkeit (oder den Taupunkt) des Kathodeneinlasses des Systems aufrechtzuerhalten. Die Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung können teilweise durch einen Controller implementiert sein, welcher Programmanweisungen ausführt. Solche Anweisungen können auf einem beliebigen Medium gespeichert sein, welches durch den Controller lesbar und ausführbar ist.
- Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt in Blockdiagrammform ein partielles Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung. -
2 zeigt in Flussdiagrammform ein Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung mm Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Kathodeneinlassgases für ein System wie das in1 veranschaulichte. -
3 zeigt in Flussdiagrammform ein weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Kathodeneinlassgases für ein System wie das in1 veranschaulichte. -
4 zeigt in Flussdiagrammform ein noch weiteres Verfahren in Übereinstimmung mit der Erfindung zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Kathodeneinlassgases für ein System wie das in1 veranschaulichte. - Detaillierte Beschreibung
- Die nachfolgende Beschreibung wird präsentiert, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung wie beansprucht, herzustellen und zu verwenden, und ist im Kontext mit den speziellen nachfolgend erläuterten Beispielen vorgesehen, wobei Varianten davon für den Fachmann ohne weiteres offensichtlich sein werden. Im Spezielleren sind illustrative Ausführungsformen der Erfindung im Hinblick auf Brennstoffzellenstapel beschrieben, welche gasförmigen Wasserstoff (H2) als einen Brennstoff, gasförmigen Sauerstoff (O2) als ein Oxidationsmittel in Form von Luft (ein Gemisch aus O2 und Stickstoff N2) und Protonenaustausch- oder Polymerelektrolytmembran(„PEM”)-Elektrodenanordnungen („MEAs”) verwenden. Die beigefügten Ansprüche sollen jedoch nicht durch die offenbarten Ausführungsformen begrenzt sein, sondern sind in ihrem weitest möglichen Umfang in Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Prinzipien auszulegen.
- Im Allgemeinen verwendet ein Brennstoffzellenstapel, welcher in Übereinstimmung mit der Erfindung betrieben wird, eine Kombination aus Sensoreingangs- und Komponentenmodellen, um Kathodenabfluss verarbeitende Komponenten steuerbar zu umgehen, um die relative Feuchtigkeit (RH) des Kathodeneinlasses des Stapels aufrechtzuerhalten. In einer Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Kathodengaszufluss-RH in Kombination mit einem Eingang von einem Kathodengaszufluss-RH-Sensor gesteuert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Kathodengaszufluss-RH in Kombination mit einer Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeitsmessung (anstelle eines Kathodengaszufluss-RH-Sensors) gesteuert sein. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Brennstoffzellenstapel-Kathodengaszufluss-RH ohne Eingang von entweder einem Kathodengaszufluss-RH-Sensor oder einer Brennstoffzellenstapelmembran-Leitfähigkeitsmessung gesteuert sein. Es wird einzusehen sein, dass die Bezugnahme hierin auf die RH funktionell dem Taupunkt äquivalent ist. Das bedeutet, die erfindungsgemäße Steuermethodik ist gleichermaßen auf Brennstoffzellenstapelbetriebe auf der Basis der relativen Feuchtigkeit oder des Taupunktes der Kathode anwendbar.
- Unter Bezugnahme auf
1 umfasst ein illustratives Brennstoffzellensystem100 einen Brennstoffzellenstapel105 , der, wenn er in Betrieb ist, einer Last110 Leistung zuführt. Eine Wasserstoffzufuhr115 ist an den Stapel105 über eine Anodenzuflussleitung120 bereitgestellt, wobei der Anodenabfluss über eine Leitung125 von dem Stapel105 wegtransportiert wird. Sauerstoff oder sauerstoffreiche Luft130 wird über eine Leitung135 dem Trockeneinlasskanal einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD)140 zugeführt. Befeuchtete, sauerstoffreiche Luft wird dem Stapel105 von dem Trockenauslasskanal der WVTD140 durch eine Kathodenzuflussleitung145 zugeführt. Der Kathodenabfluss (über eine Leitung150 ) ist steuerbar zwischen einem Nasseinlasskanal (über eine Leitung155 ) der WVTD140 und einem Nassauslasskanal (über eine Leitung160 ) der WVTD140 durch ein WVTD-Umgehungsventil (165 ) aufgeteilt. Das Umgehungsventil165 wiederum ist über einen Controller170 gesteuert, welcher verschiedene Sensoreingänge175 (z. B. Stapelstrom und Kathodenluftströmung) empfängt. In Übereinstimmung mit der Erfindung beeinflusst der Controller170 das Umgehungsventil165 derart, um die Kathodenzufluss-RH unabhängig von den Kathodenzufluss- und/oder -abflusstemperaturen wie im Stand der Technik zu steuern. In einer Ausführungsform kann der Controller170 ein Proportional-Integral-Differential(PID)-Controller (kontinuierlich, diskret oder fuzzy) sein, welcher eine Rückmeldung von einem Sensor für die relative Feuchtigkeit oder den Taupunkt des Kathodeneinlasses verwendet. In einer weiteren Ausführungsform kann der Controller170 ein PID-Controller (kontinuierlich, diskret oder fuzzy) sein, welcher eine Rückmeldung von einem/r Stapelmembran-Leitfähigkeitssensor oder -messung verwendet. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Controller170 ein Controller sein, welcher in einem offenen Regelkreis, d. h. ohne Rückmeldung, läuft. - Unter Bezugnahme auf
2 kann in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem100 über einen Prozess200 gesteuert sein. In dieser Ausführungsform werden eine Kathodeneinlass-RH205 , ein Stapelstrom und eine Kathodenluftströmung210 und der Stapeleinlass-RH-Sollwert215 gemessen oder bereitgestellt. Zum Beispiel kann die Kathodeneinlass-RH205 durch einen beliebigen geeigneten Sensor (z. B. einen Sensor für die relative Feuchtigkeit oder den Taupunkt) gemessen werden. Gleichermaßen sind der Stapelstrom und die Kathodenluftströmung210 typischerweise gemessene Größen. Der Sollwert215 für die relative Feuchtigkeit des Stapeleinlasses wiederum ist allgemein ein empirisch ermittelter Wert auf der Basis der physikalischen Konfiguration des Stapels105 . - Unter Verwendung des/r gemessenen Stapelstromes und Kathodenluftströmung (
210 ) und des Stapeleinlass-RH-Sollwertes (215 ) kann die gewünschte Wasserübertragungsrate über die WVTD140 hinweg ermittelt werden (Block220 ). Für Details siehe ANHANG A. Es wird einzusehen sein, dass die Menge von Wasser, die über die WVTD140 hinweg übertragen wird, von der Position des Umgehungsventils165 abhängt und dadurch gesteuert ist. Dies ist die „Variable”, welche in Übereinstimmung mit der Erfindung beeinflusst wird, um die (den) Kathodenzufluss-RH (oder -taupunkt) bei einem gewünschten Wert zu halten. Dies wiederum hat den verbesserten Betrieb des Brennstoffzellensystems100 zur Folge. - Die/der gewünschte WVTD-Übertragungsrate (Block
220 Ausgang) und WVTD-Wirkungsgrad (Block225 ) können verwendet werden, um die gewünschte WVTD-Einlasswasserströmungsrate zu ermitteln (Block130 ). Für Details bezüglich des WVTD-Wirkungsgrades siehe ANHANG B. Die gewünschte WVTD-Einlasswasserströmungsrate kann in Übereinstimmung mit ANHANG C bestimmt werden. - Wenn die WVTD-Wasserübertragungsrate (Block
220 Ausgang), die gewünschte Wassereinlassströmungsrate (Block230 Ausgang) und die Kathodenausgangsströmungsrate (Block235 ) bekannt sind, kann die gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate ermittelt werden (Block240 ). Die Kathodenausgangsströmungsrate235 kann in Übereinstimmung mit Massenbilanztechniken gemessen oder ermittelt werden, wie in der gemeinsam in Besitz befindlichen Patentanmeldung mit dem Titel „Fuel Cell System Relative Humidity Control” von Victor Logan, eingereicht am 17. Mai 2005, Seriennummer 11/130 806, beschrieben, welche hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Die gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate240 kann in Übereinstimmung mit ANHANG D ermittelt werden. - Die gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate (ANHANG D) und ein Modell des Umgehungsventils
165 (ANHANG E) können verwendet werden, um einen Umgehungsventil-Vorspannwert zu ermitteln; siehe ANHANG F. Der ermittelte Umgehungsventil-Vorspannwert kann dem Controller170 zugeführt werden, der wiederum ein Ventilsteuersignal erzeugt, welches das Umgehungsventil165 in Übereinstimmung damit beeinflusst, um die gewünschte relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu erzielen. In einer Ausführungsform verwendet der Controller170 den ermittelten Umgehungsventil-Vorspannwert (Block250 ), um einen Ventilpositionswert aus einer Tabelle abzurufen. In einer weiteren Ausführungsform verwendet der Controller170 den Umgehungsventil-Vorspannwert, um dynamisch ein Umgehungsventil-Positionssignal zu berechnen. In jedem Fall verwendet der Controller170 den Umgehungsventil-Vorspannwert, um ein Signal zum Steuern der Position des Umgehungsventils165 zu erzeugen. Im Ergebnis wird die Menge von Fluid gesteuert, welche die WVTD140 umgeht, und infolgedessen wird die gewünschte Kathodeneinlass-RH erreicht. - Unter Bezugnahme auf
3 kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem100 in Übereinstimmung mit einem Prozess300 betrieben werden. Hier wird die Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeit gemessen305 und mit einem Membranleitfähigkeitssollwert310 verglichen. Die Differenz zwischen diesen beiden Größen wird dem Controller170 auf dieselbe Weise geliefert wie die Differenz zwischen der gemessenen Kathodeneinlass-RH205 und dem Kathodeneinlass-RH-Sollwert215 im Prozess200 (2 ). In einer Ausführungsform kann die Brennstoffzellenmembran-Leitfähigkeit gemessen werden, indem ein Strom mit einer Störfrequenz (z. B. 1 kHz) durch den Stapel geschickt und sein Widerstand gemessen wird. Dieser Prozess kann periodisch oder kontinuierlich erfolgen. Ähnlich wie der Kathodeneinlass-RH-Sollwert wird der Membranleitfähigkeits-Sollwert empirisch ermittelt und ist unter anderem von dem physikalischen Aufbau des Stapels105 abhängig. - Unter Bezugnahme auf
4 kann in einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem100 über einen offenen Regelkreisprozess400 gesteuert werden. In dieser Ausführungsform ist keine Kathodeneinlass-RH (oder Taupunkt)- oder Stapelmembran-Leitfähigkeitsmessung verfügbar, auf der ein Steuersystem mit geschlossenem Regelkreis gebildet werden kann. Während das Betriebsverhalten des Steuerprozesses400 mit offenem Regelkreis eine geringere Stabilität oder größere Abweichungen von der gewünschten Kathodeneinlass-RH zur Folge haben kann als die Methodiken200 und300 mit geschlossenem Regelkreis, ist sie dennoch eine praktikable Technik, um die Kathodeneinlass-RH zu steuern. - Wie hierin beschrieben, beruhen die Prozesse
200 ,300 und400 auf einer Kombination aus Sensoreingangs- und Komponentenmodellen, um das Ventil165 derart zu beeinflussen, dass der Kathodenabfluss aus dem Stapel105 die WVTD140 selektiv umgeht. Das Umgehungsventil165 wird auf diese Weise beeinflusst, um eine/n gewünschte/n Kathodeneinlass-RH oder -taupunkt zu beschaffen oder aufrechtzuerhalten. Es wird einzusehen sein, dass während des Betriebes des Brennstoffzellensystems100 schwankende Umweltbedingungen (z. B. Änderungen des/der Umgebungsdruckes, -temperatur und -feuchtigkeit), schwankende Betriebsbedingungen (z. B. Änderungen des Lastbedarfs), Sensor-Tagesverfassungen und dergleichen bewirken können, dass sich die Kathodeneinlass-RH verändert, sodass zu jedem gegebenen Zeitpunkt die tatsächliche Kathodeneinlass-RH von der gewünschten Kathodeneinlass-RH verschieden sein kann. Als eine Folge davon kann der Controller170 gegebenenfalls nur eine wesentliche Übereinstimmung zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Kathodeneinlass-RH erreichen. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „wesentlich”, dass die tatsächliche Kathodeneinlass-RH und die gewünschte Kathodeneinlass-RH nahe genug beieinander liegen, dass ein Fachmann das Brennstoffzellensystem100 als bei der gewünschten Kathodeneinlass-RH arbeitend betrachten würde. - Verschiedene Änderungen in den Materialien und Komponenten wie auch in den Details der veranschaulichten Betriebsverfahren sind möglich, ohne von dem Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen. Zum Beispiel kann das illustrative Brennstoffzellensystem von Fig.
100 zusätzliche Komponenten wie z. B. Anodenströmungspfad-Verarbeitungskomponenten, zusätzliche Sensoren und ein Kühlmittel-Untersystem umfassen. Darüber hinaus können die verschiedenen Parameter, die von jedem der Prozesse200 ,300 und400 verwendet werden, auf jede von dem Planer gewünschte Weise beschafft, ermittelt oder berechnet werden. Zum Beispiel kann der Controller170 als eine Hardwarevorrichtung in Übereinstimmung mit herkömmlichen Steuerdesignprinzipien ausgeführt sein. Der Controller170 kann auch derart ausgeführt sein, dass er eine programmierbare Steuervorrichtung umfasst, welche Anweisungen ausführt, die in einem oder mehreren Programmmodulen organisiert sind. Eine programmierbare Steuervorrichtung kann ein einzelner Computerprozessor, ein spezieller Prozessor (z. B. ein digitaler Signalprozessor „DSP”), eine Vielzahl von Prozessoren, die über eine Kommunikationsverbindung gekoppelt sind, oder ein kundenspezifischer Zustandsautomat sein. Kundenspezifische Zustandsautomaten können in einer Hardwarevorrichtung wie z. B. einem integrierten Schaltkreis enthalten sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise („ASICs”) oder ein anwenderprogrammierbares Gate-Array („FPGA”). Speichervorrichtungen, welche geeignet sind, um konkrete Programmanweisungen zu enthalten, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf: Magnetplatten (fest, floppy und entfernbar) und Bänder; optische Medien wie z. B. CD-ROMs und digitale Videoplatten („DVDs”); und Halbleiter-Speichervorrichtungen wie z. B. einen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher („EPROM”), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher („EEPROM”), programmierbare Gate-Arrays und Flash-Vorrichtungen. - ANHANG A. Die gewünschte Wasserübertragungsrate über die WVTD
140 hinweg soll durch n'H₂O-desired repräsentiert sein (wobei die Notation x' die zeitliche Ableitung von x repräsentiert). Dann ist bei einer/m gegebenen oder gewünschten relativen Zielfeuchtigkeit oder -taupunkt des Kathodeneinlasses die gewünschte Rate der Wasserübertragung über die WVTD140 hinweg – das heißt die Wasserübertragungsrate von dem WVTD-Nasseinlasskanal (d. h. Leitung155 ) in den WVTD-Trockeneinlasskanal (d. h. Leitung135 ), welche dann zurück zu dem Kathodeneinlass (d. h. Leitung145 ) des Stapels105 weitergeleitet wird – gegeben durch: - Hier repräsentiert Ptot den gemessenen Druck an dem Stapelkathodeneinlass (auf Grund der kombinierten Partialdrücke des Sauerstoffs, Stickstoffs und „weiterer” Gase der Einlassluft); Psat repräsentiert den Sättigungsdruck, der dem gewünschten Stapel-RH-Sollwert
215 zugehörig ist, ein Wert, welcher einfach aus dem Stapel-RH(oder -taupunkt)-Sollwert215 ermittelt wird; und n'dry-in repräsentiert die gemessene molare Strömungsrate des Trockengases, welches in den WVTD-Trockeneinlasskanal gelangt (z. B. von der sauerstoffreichen Zufuhr130 über die Leitung135 ). - ANHANG B. Der WVTD-Wirkungsgrad (ε) ist allgemein definiert als:
ε = Water Transferred into Dry Stream / Water in Wet Stream GL. B1 - Hier ist: „Water in Wet Stream” der Massendurchsatz des Nasszustromes in den Nasseinlasskanal (über Leitung
155 ) der WVTD140 ; „Water Transferred into Dry Stream” ist der Massendurchsatz des Wassers, welches in den Trockenzustrom (über Leitung135 ) der WVTD140 von dem Nasseinlass-Zustrom (über Leitung155 ) der WVTD140 in den Trockenseitenauslass-Zustrom (d. h. den WVTD-Trockenauslasskanal über Leitung145 ) der WVTD140 übertragen wird. - Cmin soll die Fähigkeit repräsentieren Wasser in die Nassseite der WVTD
140 (d. h. den Trockenmassendurchsatz in den Trockeneinlasskanal der WVTD140 über Leitung155 zu bringen; Cmax soll die Fähigkeit repräsentieren, Wasser aus der Trockenseite der WVTD140 zu transportieren (d. h. den Trockenmassendurchsatz durch die WVTD140 von Leitung135 zu Leitung145 ); A repräsentiert die Wasserübertragungsfläche der WVTD140 (eine Größe die fest und für eine gegebene WVTD bekannt ist); und U repräsentiert den Massenübertragungskoeffizienten für die WVTD140 (proportional der Durchlässigkeit der WVTD140 ) – wobei die Anzahl der WVTD-Übertragungseinheiten gegeben ist durch: -
- Hier ist τ eine Funktion von Cmin/Cmax. Es wird einzusehen sein, dass im Allgemeinen Cmax gemessen wird, Cmin die gesteuerte Variable in dem System
100 (über Steuerung/Beeinflussung des Umgehungsventils165 ) ist und τ aus einer Nachschlagetabelle stammt – die Werte werden experimentell ermittelt. - ANHANG C. Durch Umformen von GL. B1 ergibt sich:
Water In Wet Streamdesired = Water Transfered into Dry Stream / ε GL. C1 -
- n'H₂O-desired durch GL. A1 gegeben ist, ε durch GL. B3 gegeben ist und n'wet-in desired das Ergebnis von Block
230 repräsentiert. - ANHANG D. In der Erkenntnis, dass die Wasserübertragungsströmungsrate über die WVTD
140 plus der Wasserauslassströmungsrate der WVTD140 der Wassereingangsströmungsrate in die WVTD140 entspricht, und wenn der Molenbruch des Wassers aus dem Stapel105 bekannt ist (mithilfe eines oder mehrerer Sensoren und/oder Modelle ermittelt), so kann die gewünschte Nassseiteneinlass-Strömungsrate für die WVTD140 wie folgt ermittelt werden: - [H2O]cathode-out den Molenbruch von Wasser aus der Kathode des Stapels
105 heraus repräsentiert. - Die Erkenntnis, dass, um die gewünschte Kathodeneinlass-RH zu erzielen, die Kathodenauslassströmungsrate der WVTD
140 n'cathode-out (über Leitung150 ) der gewünschten Strömungsrate in die WVTD140 , n'wet-in desired (über Leitung155 ) plus der Strömungsrate durch das Umgehungsventil165 n'bypass entspricht, ergibt:n'bypass = n'cathode out – n'wet-in desired GL. D2 -
- Hier repräsentiert Fbypass-desired die gewünschte Strömungsrate durch das Umgehungsventil
165 in 7,9 × 10–6 m3/s; FP repräsentiert den Rohrleitungsfaktor des Systems100 und insbesondere für die Leitungen in das und aus dem Umgehungsventil165 ; Cbypass repräsentiert den – Strömungskoeffizienten des Umgehungsventils in 6,3 × 10–5 m3 Wasser pro Sekunde bei 15,6°C und 6.894,8 N/m3 Differenzdruck; Pbypass-in repräsentiert den Einlass- oder oberstromigen Druck an dem Umgehungsventil165 in 6.894,8 N/m3 Absolutdruck; Y repräsentiert den Ausdehnungsfaktor der relevanten Gase (d. h. O2, N2 und H2O); x repräsentiert das Druckabnahmeverhältnis über das Umgehungsventil165 hinweg (siehe unten); Sg repräsentiert das spezifische Gewicht des Gases durch das Umgehungsventil165 ; Tbypass-in repräsentiert die Temperatur an dem Einlass des Umgehungsventils165 in °C × 0,8; und Z repräsentiert den Kompressibilitätsfaktor der Gase durch das Umgehungsventil165 . - Wenn die Umgehungsventileinlass- und -auslassrohrleitung entsprechend dimensioniert ist, beträgt der Rohrleitungsfaktor Fp ungefähr 1. Wie hierin verwendet, bedeutet „entsprechend dimensioniert”, dass die Druckabnahme über das Rohr hinweg viel kleiner ist als die Druckabnahme über das Umgehungsventil
165 hinweg. Gleichermaßen ist für die Drücke und Temperaturen, die für ein Brennstoffzellensystem mit gasförmigem Wasserstoff und Luft relevant sind (z. B. von ca. Umgebungsbedingungen bis 350 kN/m3 und –40°C bis 35°C), der Kompressibilitätsfaktor Z ungefähr gleich 1. -
- Fk das Verhältnis des spezifischen Wärmefaktors für die relevanten Gase (d. h. O2, N2 und H2O) repräsentiert und xt das Druckabnahmeverhältnis über das Umgehungsventil
165 hinweg ist. Der Wert xt ist für eine Ventilgeometrie spezifisch und kann empirisch ermittelt werden. Hingegen istFk = k / 1,4, wobei GL. E3 - k das Verhältnis der spezifischen Wärmen für O2, N2 und H2O repräsentiert.
- Für die Drücke, welche für ein Brennstoffzellensystem mit gasförmigem Wasserstoff und Luft relevant sind, entspricht k ungefähr 1,39 und infolgedessen ist Fk ungefähr gleich 1.
-
- Pbypass-out den Auslass- oder unterstromigen Druck an dem Umgehungsventil
165 in 6.894,8 N/m3 repräsentiert. - Wie hierin verwendet, entspricht das spezifische Gewicht eines Gases dem Molekulargewicht des Gases geteilt durch das Molekulargewicht der Luft, wobei das Molekulargewicht des Gases die gewichtete Summe der Molekulargewichte der Gasbestandteile des Gases ist. Demgemäß ist das spezifische Gewicht des Kathodenabflusses (und daher des Umgehungsventilzuflusses) Sg: wobei mfx den Molenbruch von x in dem Zielgas repräsentiert, mwx das Molekulargewicht von x repräsentiert und (z)air das z der Luft repräsentiert. Für die Drücke und die Temperaturen in Bezug auf das Brennstoffzellensystem
100 (siehe oben) ist Sg ungefähr 1. In einer Ausführungsform wird Sg durch den Controller170 konstant geschätzt und liegt für die Art von Brennstoffzellensystem, die hierin beschrieben ist, üblicherweise zwischen 0,9 und 1,0. - GL. E1 (und ihre unterstützenden Gleichungen G12 bis G15 bilden ein Modell des Umgehungsventils
165 . -
-
-
- In GL. F2 sind Pbypass-in, x, Tbypass-in und Sg gemessene Größen (oder direkt aus gemessenen Größen ermittelt); xt ist für eine gegebene Umgehungsventilposition fest; und Fbypass-desired wird in Übereinstimmung mit GL. D2 ermittelt.
- Wie in ANHANG B angeführt, wird Cmax gemessen, Cmin ist die gesteuerte Variable in dem System
100 (über Steuerung/Beeinflussung des Umgehungsventils165 ) und τ stammt aus einer Nachschlagetabelle – die Werte werden experimentell ermittelt.
Claims (16)
- Brennstoffzellensystem, welches umfasst: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass; eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) mit einem Nasseinlasskanal und einem Trockenauslasskanal, wobei der Nasseinlasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass steht und der Trockenauslasskanal in Fluidverbindung mit dem Kathodeneinlass steht; ein Ventil mit einem oberstromigen Einlass und einem unterstromigen Auslass, wobei der oberstromige Einlass in Fluidverbindung mit dem Kathodenauslass und dem Nasseinlasskanal steht und dazwischen angeordnet ist, wobei das Ventil derart ausgebildet ist, um selektiv ein Fluid, welches aus dem Brennstoffzellenstapel über den Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in den Nasseinlasskanal eintritt; und einen Controller, welcher derart ausgebildet ist, um einen Zielwert für eine Betriebseigenschaft eines Fluids zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt, einen gemessenen Wert für ein Fluid zu empfangen, welches in den Kathodeneinlass eintritt, eine gewünschte WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses zu ermitteln, eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads zu ermitteln, eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate zu ermitteln, eine Ventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Ventilmodells und des gemessenen Wertes für das Fluid zu ermitteln, und die ermittelte Ventilposition zu verwenden, um das Ventil derart zu beeinflussen, um das Fluid, welches aus dem Kathodenauslass austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert der Betriebseigenschaft im Wesentlichen dem Zielwert der Betriebseigenschaft entspricht.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel derart ausgebildet ist, um gasförmigen Wasserstoff als einen Brennstoff zu verwenden.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfübertragungsvorrichtung ferner einen Trockeneinlasskanal umfasst und die Wasserdampfübertragungsvorrichtung derart ausgebildet ist, um Wasser von einem Fluid, welches in den Nasseinlasskanal eintritt, zu einem Fluid zu übertragen, welches in den Trockeneinlasskanal eintritt, und dasselbe zu dem Trockenauslasskanal weiterzuleiten.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Trockeneinlasskanal in Fluidverbindung mit einer Quelle eines gasförmigen Oxidationsmittels steht.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das gasförmige Oxidationsmittel eine gasförmige Zufuhr von Sauerstoff umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die gasförmige Zufuhr von Sauerstoff Luft umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller einen Proportional-Integral-Differential-Controller umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der Proportional-Integral-Differential-Controller einen diskreten Proportional-Integral-Differential-Controller umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft eine relative Feuchtigkeit umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft einen Taupunkt umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft eine Brennstoffzellenstapelmembran-Leitfähigkeit umfasst.
- Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Betriebseigenschaft eine NULL-Eigenschaft umfasst, sodass der Controller derart ausgebildet ist, um in einem Modus mit offenem Regelkreis zu arbeiten.
- Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahren, welches umfasst, dass: für ein Fluid, welches in einen Kathodeneinlass eines Brennstoffzellensystems eintritt, ein Zielwert für einen festgelegten Betriebsparameter empfangen wird; für das Fluid, welches in den Kathodeneinlass des Brennstoffzellensystems eintritt, ein gemessener Wert des festgelegten Betriebsparameters empfangen wird; eine gewünschte Wasserübertragungsströmungsrate für eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVTD) unter Verwendung eines Stapelstromes und einer Kathodenluftströmung sowie eines Sollwertes für die relative Feuchtigkeit des Kathodeneinlasses ermittelt wird; eine gewünschte WVTD-Wassereinlassströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate und eines WVTD-Wirkungsgrads ermittelt wird, eine gewünschte WVTD-Umgehungsströmungsrate unter Verwendung der gewünschten WVTD-Wassereinlassströmungsrate, einer Kathodenausgangsströmungsrate und einer WVTD-Wasserübertragungsrate ermittelt wird; eine Umgehungsventilposition auf der Basis der gewünschten WVTD-Wasserübertragungsströmungsrate, der gewünschten WVTD-Umgehungsströmungsrate, eines Umgehungsventilmodells und des gemessenen Wertes des Betriebsparameters ermittelt wird; und die ermittelte Umgehungsventilposition verwendet wird, um ein Umgehungsventil derart zu beeinflussen, um ein Fluid, welches aus einem Kathodenauslass des Brennstoffzellensystems austritt, abzuzweigen, damit es nicht in die WVTD eintritt, sodass der gemessene Wert des Betriebsparameters im Wesentlichen dem Zielwert des Betriebsparameters entspricht.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betriebsparameter eine relative Feuchtigkeit umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betriebsparameter einen Taupunkt umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betriebsparameter eine Membranleitfähigkeit des Brennstoffzellenstapels umfasst.
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