DE102008007058B4 - Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung, umfassend die Schritte, dass:ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die gestapelt angeordnet sind, und mindestens eine Heizeinrichtung umfasst, die mit mindestens einer Endbrennstoffzelle gekoppelt ist, welche an mindestens einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei jede Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfasst; dadurch gekennzeichnet , dassein Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung ausgewählt wird;ein Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung des Sollwerts für die relative Feuchte berechnet wird;ein Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung berechnet wird, wobei die Temperatur dem berechneten Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung plus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung und der Heizeinrichtung entspricht; unddie Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung verstellt wird, bis sie den Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung erreicht und dadurch den Sollwert für die relative Feuchte der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung erreicht.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus den Druckschriften US 6686080 B2 , US 2004/0053092 A1 oder US 2004/0137295 A1 bekannt.
• Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Umwandlungszellen, die allgemein als Brennstoffzellen bezeichnet werden, welche elektrische Energie durch Verarbeitung eines ersten und eines zweiten Reaktanten erzeugen. Zum Beispiel kann in einer Brennstoffzelle elektrische Energie durch die Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases und die Oxidation eines wasserstoffhaltigen Gases erzeugt werden. Lediglich illustrativ und nicht einschränkend umfasst eine typische Zelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwischen einem Paar Strömungsfelder positioniert ist, welche entsprechende der Reaktanten aufnehmen. Im Spezielleren können eine Kathoden-Strömungsfeldplatte und eine Anoden-Strömungsfeldplatte auf gegenüberliegenden Seiten der MEA positioniert sein. Die durch eine einzige Zelleneinheit gelieferte Spannung ist typischerweise zu klein für eine nützliche Anwendung, weshalb es üblich ist, eine Vielzahl von Zellen in einem leitfähig gekoppelten „Stapel“ anzuordnen, um die elektrische Ausgabe der elektrochemischen Umwandlungsvorrichtung zu erhöhen.
• Die Membranelektrodenanordnung umfasst typischerweise eine Protonenaustauschmembran, die eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht der MEA trennt. Die MEA ist typischerweise durch eine erhöhte Protonenleitfähigkeit unter feuchten Bedingungen gekennzeichnet. Zur Beschreibung des Kontextes der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass die allgemeine Konfiguration und Arbeitsweise von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln über den Umfang der vorliegenden Erfindung hinausgehen. Vielmehr betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Steuern des Wassergehalts in der elektrochemischen Umwandlungszelle, insbesondere durch ein Regeln der relativen Feuchte einer Endzelle über eine Heizeinrichtung.
• Während des Betriebs ist ein Brennstoffzellenstapel anfällig gegenüber einem Wärmeverlust an die Umgebung (z. B. Wärmeverlust durch Leitung über angebrachte Hardware), insbesondere an den Enden des Brennstoffzellenstapels. Dieser Wärmeverlust führt dazu, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels entlang seiner Länge nicht gleichmäßig ist, wobei die Endzellen des Brennstoffzellenstapels niedrigere Temperaturen aufweisen als die restlichen Zellen. Auf Grund des Temperaturabfalls kann Wasser, das durch die Brennstoffzelle wandert, in den relativ kühleren Zellen an dem Ende des Brennstoffzellenstapels kondensieren.
• Ein Kondensieren von Wasser innerhalb der Brennstoffzellen an dem Ende des Brennstoffzellenstapels ist problematisch, da Wasser die Strömungskanäle blockieren und die Brennstoffzelle fluten kann. Das Fluten verringert die Spannung, indem nicht zugelassen wird, dass die Reaktanten die Reaktionsstellen erreichen, und die Gesamtleistung des Brennstoffzellenstapels nimmt ab. Überdies kann das Fluten auch zu einer Dehydration in anderen Bereichen des Brennstoffzellenstapels führen. Infolgedessen besteht ein kontinuierlicher Bedarf, den Wassergehalt eines Brennstoffzellenstapels und der einzelnen Brennstoffzellen, die den Brennstoffzellenstapel bilden, zu steuern.
• Was die allgemeine Konfiguration und den Betrieb von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln betrifft, verweisen die Anmelder auf die umfangreiche Lehre hinsichtlich der Art und Weise, wie Brennstoffzellen-„Stapel“ und die verschiedenen Komponenten des Stapels konfiguriert sind. Zum Beispiel betrifft eine Vielzahl von US-Patenten und veröffentlichten Anmeldungen direkt Brennstoffzellenkonfigurationen und entsprechende Betriebsverfahren. Insbesondere präsentieren die 1 und 2 der US-Patentanmeldung US 2005/0058864 A1 und der Begleittext eine detaillierte Veranschaulichung der Komponenten eines Brennstoffzellenstapeltyps.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung anzugehen, mit dem sich möglichst zuverlässig die zuvor erläuterte Flutungsproblematik beseitigen lässt.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die gestapelt angeordnet sind, und mindestens eine Heizeinrichtung umfasst, die mit mindestens einer Endbrennstoffzelle gekoppelt ist, welche an mindestens einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei jede Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfasst. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass: ein Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung ausgewählt wird; ein Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung des Sollwerts für die relative Feuchte berechnet wird; ein Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung berechnet wird, wobei die Temperatur dem berechneten Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung plus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung und der Heizeinrichtung entspricht; und die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung verstellt wird, bis sie den Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung erreicht und dadurch den Sollwert für die relative Feuchte der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung erreicht.
• Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die gestapelt angeordnet sind, und mindestens eine Heizeinrichtung umfasst, die mit mindestens einer Endbrennstoffzelle gekoppelt ist, welche an mindestens einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei jede Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfasst. Das Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass: eine relative Feuchte für den Brennstoffzellenstapel berechnet wird; ein Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung ausgewählt wird, der kleiner als die relative Feuchte des Brennstoffzellenstapels ist; ein Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung des Sollwerts für die relative Feuchte berechnet wird; ein Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung berechnet wird, wobei die Temperatur dem berechneten Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung plus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung und der Heizeinrichtung entspricht; der Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung mit einer Temperaturablesung der Endzellen-Heizeinrichtung verglichen wird; und die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung verstellt wird, bis sie den Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung erreicht und dadurch den Sollwert für die relative Feuchte der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung erreicht.
• Weitere Merkmale und Vorteile, die durch die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, werden bei einer Betrachtung der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich.
• Figurenliste
• Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der illustrativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit dem nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, und in denen:
• 1 ein Flussdiagramm ist, welches das Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte der Endzellen des Brennstoffzellenstapels gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
• 2a eine schematische Veranschaulichung der elektrochemischen Umwandlungseinrichtung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
• 2b eine schematische Veranschaulichung der Endzellen-Membranelektrodenanordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist;
• 3 ein weiteres Flussdiagramm ist, welches das Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte der Endzellen des Brennstoffzellenstapels gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, wobei die Figur graphisch zeigt, welche Eingänge und Ausgänge jeder Block benötigt (jeder Block stellt eine Berechnung oder Manipulation einer bestimmten Art dar);
• 4a eine graphische Veranschaulichung ist, welche die experimentelle Ermittlung der Temperaturänderung (dT) bei verschiedenen Stromdichten darstellt, wobei dT = die Temperaturrückkopplung der Endzellen-Heizeinrichtung minus der Temperaturrückkopplung der Endzellen-MEA gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt, und
• 4b eine schematische Veranschaulichung der experimentellen Struktur, die verwendet wird, um die graphischen Werte von 4a zu erzeugen, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist.
• Detaillierte Beschreibung
• Unter Bezugnahme auf 1, 2a, 2b und 3 ist ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungsvorrichtung bereitgestellt. Das Verfahren wird unter Verwendung einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung 1 ausgeführt, die einen Brennstoffzellenstapel 100, z. B. einen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel, umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel 100 eine Vielzahl von gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 120 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst mindestens eine Heizeinrichtung 130, die mit mindestens einer End-Brennstoffzelle 110 gekoppelt ist, die an mindestens einem Ende des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist. Jeder Stapel aus Brennstoffzellen 120 umfasst Endzellen 110 und weitere Brennstoffzellen, die zwischen den Endzellen 110 angeordnet sind, und jede Brennstoffzelle und Endzelle 110 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 115. Unter Bezugnahme auf 2b ist die Membranelektrodenanordnung 115 zwischen den Gasdiffusionsschichten 112 und den Strömungsfeldern 111 angeordnet.
• Das Verfahren umfasst den Schritt, dass ein Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung 115 ausgewählt wird. Bei einer Ausführungsform kann der Benutzer einen Sollwert experimentell, wie z. B. durch Probieren, auswählen. Im Allgemeinen ist der Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung 115 kleiner als die relative Feuchte des gesamten Brennstoffzellenstapels, um eine Kondensation von Wassertröpfchen in der Endzelle 110 zu verhindern.
• Auf der Basis des Sollwerts für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung 115 kann der Temperatursollwert der Endzellen-Membranelektrodenanordnung berechnet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Temperatur durch die nachfolgende Gleichung für die Relative Endzellenfeuchte (ECRH) berechnet werden: $$ECRH=\frac{100*COP}{\frac{\left[{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+ECT}}\right]\left[CS+\mathrm{0,21}\left(1-\frac{{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+CIDT}}}{COP+CPD}\right)\right]}{\left[2*\mathrm{0,21}\right]+\left[\left(\frac{{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+CIDT}}}{COP+CPD}\right)\left(CS-2*\mathrm{0,21}\right)\right]}}$$

  

  wobei COP der Kathodenauslassdruck der Endzelle [kPa] ist, CPD der Kathodendruckabfall in der Endzelle [kPa] ist, CIDT die Kathodeneinlass-Taupunkttemperatur [°C] ist, ECT die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung [°C] ist, die voranstehend berechnet wurde, und CS die Kathodenstöchiometrie ist. Die Kathodenstöchiometrie (CS) wird durch die Gleichung $$CS=\frac{Luftmassendurchsatz}{\mathrm{4,33}*\left[\frac{Zellenanzahl*Stapelstrom}{\left(\mathrm{1,6022}*{10}^{-19}\right)\left(\mathrm{6,022}*{10}^{23}\right)}\right]*\left[\frac{1}{4}\right]*2*\mathrm{15,994}}$$

  

  berechnet, wobei der Luftmassendurchsatz der Luftdurchsatz in der Kathode [g/s] ist, die Zellenzahl die Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ist und der Stapelstrom [Ampere] die Strommenge in dem Brennstoffzellenstapel ist. Zusätzlich zum Berechnen der relativen Endzellenfeuchte kann mithilfe dieser Gleichung die relative Feuchte für den Brennstoffzellenstapel berechnet werden.
• Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren umfassen, dass die Temperatur der Membranelektrodenanordnung 115 der mindestens einen Endzelle 110 berechnet wird. Die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung 115 entspricht einer Temperaturablesung der Heizeinrichtung 130 minus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der Heizeinrichtung 115 und der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung 130. Bei einer Ausführungsform wird die Temperaturablesung der Heizeinrichtung 130 durch ein an der Heizeinrichtung 130 angebrachtes Thermoelement beschafft. Die berechnete Temperaturdifferenz wird durch die graphische Analyse der 4a und 4b beschafft, wobei der Temperaturanstieg oder -Abfall über der Stromdichte aufgetragen ist. Die Stromdichte entspricht dem Bruttostromdurchgang durch den Stapel (der durch einen Stromsensor an den Stapelanschlüssen gemessen wird) dividiert durch die aktive Fläche einer Zelle. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besitzen die Stapel eine aktive Fläche von 360 cm² und leisten 0-450 Ampere, was einen Stromdichtebereich von 0 - 1,25 A/cm² ergibt. Der gelieferte Strom ist auf der x-Achse dieses Graphen als Stromdichte dargestellt. Für jeden Punkt ist die Stromdichte (oder Strom / aktive Fläche) für eine Zeitspanne gezeichnet, die wir als stationären Zustand bestimmen. Dann werden die Temperatur der Heizeinrichtung wie auch die eines speziellen MEA-Thermoelements zum gleichen Zeitpunkt registriert. Die Differenz dieser zwei Werte entspricht der y-Achse des Graphen. Als eine Alternative zu dem Graph können die Temperaturänderungswerte aus einer Nachschlagetabelle wie z. B. der unten stehenden Tabelle 1, die verschiedene Temperaturänderungswerte von der Endzelle zu der Heizeinrichtung auflistet, beschafft werden: Tabelle 1

  Stromdichte	dT (Temperaturänderung von Endzelle zu Endzellen-Heizeinrichtung)
  0,020	0,657
  0,051	0,747
  0,005	0,840
  0,200	0,887
  0,400	1,093
  0,600	1,050
  0,800	1,010
  1,001	1,013
  1,201	0,9
  1,400	0,833
  1,500	0,753

• Eine lineare Interpolation kann verwendet werden, um eine Temperaturänderung von einer Endzelle zu der Endzellen-Heizeinrichtung bei verschiedenen Stromdichtewerten zu ermitteln. Darüber hinaus kann diese Temperaturänderung (dT) mithilfe anderer Verfahren/Modelle modelliert werden. Diese Tabelle umfasst experimentelle Daten, die auf einer Realisierung der Erfindung beruhen. Es wird in Erwägung gezogen, dass das Modell Faktoren, z. B. dass dT entlang der Fläche der Endzellenplatte (sowohl in x- als auch y-Richtung) variiert, umfassen könnte. Diese modellierten Werte könnten gemeinsam gemittelt werden, um ein dT mit einer größeren Datenmenge zu erhalten, oder einzeln verwendet werden, um z. B. niemals zuzulassen, dass irgendein Punkt auf der Platte unter eine gewisse vorbestimmte relative MEA-Feuchte fällt. Zusätzliche transiente Faktoren können ebenfalls berücksichtigt werden. Das Beispiel des Tabellenmodells berücksichtigt stationäre Punkte bei speziellen Stromdichten; es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass es die Effekte eines Übergangs nach oben umfasst, bei dem das System bei einer niedrigen Stromdichte beginnt und schnell zu einer viel höheren Stromdichte ansteigt. Die dT kann sich während dieses gesamten Übergangs nach oben auf gewisse Weise ändern, bis der stationäre Punkt hoher Stromdichte erreicht ist, wie in der Tabelle angegeben.
• Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung berechnet wird. Der Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung entspricht dem berechneten Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung plus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung und der Heizeinrichtung. Die berechnete Temperaturdifferenz wird aus dem graphischen Verfahren der 4a und 4b oder aus Tabelle 1 beschafft. An diesem Punkt wird die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung verstellt, bis sie den Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung erreicht. Durch Erreichen des Sollwerts für die Temperatur der Heizeinrichtung ist das System in der Lage, den Sollwert für die relative Feuchte der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung zu erreichen. Alternativ wären, wenn die Rückkopplung der relativen Feuchte der Endzelle der tatsächlichen relativen Feuchte der Endzelle entspricht, die Berechnung des Sollwerts für die Temperatur der Heizeinrichtung und das Verstellen der Heizeinrichtung nicht notwendig, da sich die Heizeinrichtung bereits bei ihrem Sollwert befindet. Durch das Erreichen dieses Sollwerts für die relative Feuchte wird ein Steuern einer Wassermigration in der Brennstoffzelle unterstützt und die Kondensation von Wasser zu Tröpfchen wird verhindert. Überdies ist dieses Verfahren dabei hilfreich, ein übermäßiges Austrocknen der Endzellen während des Aufwärmens zu vermeiden, das zur Bildung von feinen Löchern und/oder einer Verschlechterung einer Endzellenspannung führen kann. Dieses Verfahren verhindert, dass flüssiges Wasser Reaktionsstellen in Endzellen blockiert, und stellt gleichzeitig die Haltbarkeit der Endzellen sicher.
• Bei einer Ausführungsform können der Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung und die Temperaturrückkopplung der Heizeinrichtung von dem Thermoelement unter Verwendung eines Proportional-Integral-Differenzial-Reglers (PID-Reglers) verglichen werden. Der PID-Regler dient auch dazu, eine individuelle Einschaltdauer für jede Endzellen-Heizeinrichtung zu berechnen. Wie einem Fachmann gut bekannt ist, wird dieser Temperaturfehler oder diese Temperaturdifferenz zwischen dem Sollwert und der Heizeinrichtungstemperatur in dem PID verwendet, indem der Fehler mit der ‚P‘-Verstärkung multipliziert wird, der Fehler über die Zeit mit der 1-Verstärkung multipliziert wird, und die Steigung, mit der die Fehler konvergieren, mit der T)'-Verstärkung multipliziert wird. Im Prinzip nimmt der PID-Regler den Temperaturfehler als einen Eingang und passt ihn an eine an die Endzellen-Heizeinrichtung gesendete Einschaltdauer (d. h. mehr oder weniger Strom) an. Die P-Verstärkung wird mit einem größeren Fehler sofort größer. Wenn der Sollwert z. B. 80 °C beträgt, die Rückkopplung jedoch 70 °C beträgt, dann wird der 10 °C-Fehler sofort mit der P-Verstärkung von z. B. 5 % pro °C multipliziert. Die I-Verstärkung integriert diesen Fehler über die Zeit, sodass selbst dann, wenn die P-Verstärkung keine ausreichende Verstärkung ist, um den Sollwert zu erhalten, die I-Verstärkung beginnen wird, „hochzufahren“, um dies sicherzustellen. Wenn der Fehler bei t=0 10°C ist und die I-Verstärkung 0,1 %*s/°C beträgt, so wird für jede Sekunde, bei welcher der Fehler 10 °C bleibt, die Einschaltdauer um 1 % ansteigen (0,1 %*s/°C*ls*10°C). Der P-Beitrag würde zu dem I-Beitrag addiert werden, wenn die Zeit weiterschreitet. Die D-Verstärkung achtet darauf, wie schnell der Fehler zunimmt oder abnimmt. Wenn der Fehler z. B. 10 °C beträgt, sich jedoch mit -10 °C/s ändert, dann würde die D-Verstärkung der P- und der I-Verstärkung entgegenwirken, um ein Überschwingen zu verhindern.
• Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht, wie das Verfahren zum Steuein der relativen Feuchte ausgeführt wird.
• Beispiel 1
• In diesem Beispiel gelten die folgenden Voraussetzungen: Kathodenauslassdruck (COP) = 135 kPa; Kathodendruckabfall (CPD) = 15 kPa; Kathodenstöchiometrie (CS) = 1,8; Kathodeneinlass-Taupunkttemperatur (CIDT) = 54 °C; Kühlmittelauslasstemperatur = 80 °C.
• Durch ein Verwenden der Kühlmittelauslasstemperatur als die ECT-Variable in der Gleichung für die relative Endzellenfeuchte ergibt dieser Satz von Eingängen eine berechnete relative Kathodenauslassfeuchte für den gesamten Stapel von 80 %. Wenn der Sollwert für den Sollwert für die relative Endzellenfeuchte 70 % beträgt, so muss unter Verwendung aller oben stehenden Eingänge der Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung 83,3 °C betragen. Als Nächstes muss dieser Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung der Nachschlagetabelle von Tabelle 1, des Graphen von 4a oder vielleicht auch eines anderen zuvor beschriebenen Modells in einen Endzellen-Heizeinrichtungssollwert umgewandelt werden. Wenn die Stromdichte 0,8 A/cm² beträgt, so beträgt die Temperaturdifferenz zwischen der Endzellen-Membranelektrodenanordnung und der Endzellen-Heizeinrichtung 1,01 °C. Um den Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung zu beschaffen, wird die Temperaturänderung zu dem Endzellen-Membranelektrodenanordnungs-Sollwert addiert (1,01 °C + 83,3 °C = 84,31 °C). Nach dem Ermitteln eines Sollwerts für die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung von 84,31 °C wird die Heizeinrichtung gesteuert, bis die Thermoelement-Rückkopplung 84,31 °C abliest, indem die individuelle Einschaltdauer der Heizeinrichtung verstellt wird, bis der Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung erreicht ist. Sobald die Temperaturrückkopplung der Endzellen-Heizeinrichtung 84,31 °C erreicht, beträgt die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung 70 % (vorausgesetzt, das sich kein anderer Parameter verändert hat). In einem dynamischen Fahrzyklus können sich die Sollwerte sehr oft ändern, weshalb der Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung unter Umständen oft neu berechnet werden muss.
• Es wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „allgemein“, „vorzugsweise“, „üblicherweise“ und „typischerweise“ hierin nicht verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
• Zum Zweck der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung wird angemerkt, dass die Begriffe „im Wesentlichen“ und „etwa“ hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad an Unsicherheit darzustellen, der jedem/r quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Diese Begriffe werden hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung der grundlegenden Funktion des anstehenden Gegenstands führt.

Claims (17)

1. Verfahren zum Steuern der relativen Feuchte in einer elektrochemischen Umwandlungseinrichtung, umfassend die Schritte, dass: ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die gestapelt angeordnet sind, und mindestens eine Heizeinrichtung umfasst, die mit mindestens einer Endbrennstoffzelle gekoppelt ist, welche an mindestens einem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei jede Brennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung umfasst; dadurch gekennzeichnet , dass ein Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung ausgewählt wird; ein Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung des Sollwerts für die relative Feuchte berechnet wird; ein Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung berechnet wird, wobei die Temperatur dem berechneten Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung plus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung und der Heizeinrichtung entspricht; und die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung verstellt wird, bis sie den Sollwert für die Temperatur der Heizeinrichtung erreicht und dadurch den Sollwert für die relative Feuchte der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung aus der Gleichung für die Relative Endzellenfeuchte (ECRH) berechnet wird: $$ECRH=\frac{100*COP}{\frac{\left[{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+ECT}}\right]\left[CS+\mathrm{0,21}\left(1-\frac{{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+CIDT}}}{COP+CPD}\right)\right]}{\left[2*\mathrm{0,21}\right]+\left[\left(\frac{{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+CIDT}}}{COP+CPD}\right)\left(CS-2*\mathrm{0,21}\right)\right]}}$$

   

   wobei COP der Kathodenauslassdruck der Endzelle [kPa] ist, CPD der Kathodendruckabfall in der Endzelle [kPa] ist, CIDT die Kathodeneinlass-Taupunkttemperatur [°C] ist, ECT die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung [°C] ist und CS die Kathodenstöchiometrie ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kathodenstöchiometrie (CS) durch die Gleichung $$CS=\frac{Luftmassendurchsatz}{\mathrm{4,33}*\left[\frac{Zellenanzahl*Stapelstrom}{\left(\mathrm{1,6022}*{10}^{-19}\right)\left(\mathrm{6,022}*{10}^{23}\right)}\right]*\left[\frac{1}{4}\right]*2*\mathrm{15,994}}$$

   

   berechnet wird, wobei der Luftmassendurchsatz der Luftdurchsatz in der Kathode [g/s] ist, die Zellenzahl die Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ist und der Stapelstrom [Ampere] die Strommenge in dem Brennstoffzellenstapel ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt, dass die Temperatur der Membranelektrodenanordnung der mindestens einen Endzelle berechnet wird, wobei die mindestens eine Endzellen-Membranelektrodenanordnungstemperatur einer Temperaturablesung der Heizeinrichtung minus einer berechneten Temperaturdifferenz zwischen der Heizeinrichtung und der mindestens einen Endzellen-Membranelektrodenanordnung entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sollwert für die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung kleiner als die relative Feuchte der anderen Brennstoffzellen ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt, dass der Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Heizeinrichtung mit einer Temperaturablesung der Endzellen-Heizeinrichtung verglichen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Vergleich durch einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sollwert für die relative Endzellenfeuchte experimentell ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperaturdifferenzwerte aus einer Nachschlagetabelle oder einem graphischen Modell beschafft werden.
10. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung der Gleichung für die Relative Endzellenfeuchte (ECRH) berechnet wird, wobei die ECRH-Variable einem Sollwert für die relative Endzellenfeuchte entspricht.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperaturablesung der Endzelle durch ein mit der Heizeinrichtung verbundenes Thermoelement beschafft wird.
12. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, ferner umfassend den Schritt, dass eine relative Feuchte für den Brennstoffzellenstapel berechnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die relative Feuchte der Endzellen-Membranelektrodenanordnung aus der Gleichung für die Relative Endzellenfeuchte (ECRH) berechnet wird: $$ECRH=\frac{100*COP}{\frac{\left[{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+ECT}}\right]\left[CS+\mathrm{0,21}\left(1-\frac{{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+CIDT}}}{COP+CPD}\right)\right]}{\left[2*\mathrm{0,21}\right]+\left[\left(\frac{{10}^{\mathrm{7,093}-\frac{\mathrm{1674,5}}{\mathrm{229,15}+CIDT}}}{COP+CPD}\right)\left(CS-2*\mathrm{0,21}\right)\right]}}$$

    

    wobei COP der Kathodenauslassdruck der Endzelle [kPa] ist, CPD der Kathodendruckabfall in der Endzelle [kPa] ist, CIDT die Kathodeneinlass-Taupunkttemperatur [°C] ist, ECT die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung [°C] ist und CS die Kathodenstöchiometrie ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Sollwert für die Temperatur der Endzellen-Membranelektrodenanordnung unter Verwendung der Gleichung für die Relative Endzellenfeuchte berechnet wird, wobei die ECRH-Variable einem Sollwert für die relative Endzellenfeuchte entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die relative Feuchte für den Brennstoffzellenstapel unter Verwendung der Gleichung für die Relative Endzellenfeuchte berechnet wird, wobei die ECT-Variable einer Kühlmittelauslasstemperatur für den Brennstoffzellenstapel entspricht.
16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Vergleich durch einen Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) ausgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Temperaturablesung der Endzelle durch ein mit der Heizeinrichtung verbundenes Thermoelement beschafft wird.

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