DE102009035960B4

DE102009035960B4 - Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102009035960B4
Application number: DE102009035960.5A
Authority: DE
Inventors: Derek R. Lebzelter; Balasubramanian Lakshmanan; Frederick T. Wagner
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2009-08-03
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: US9034530B2; CN101645512B; DE102009035960A1; CN101645512A; US20100035097A1

Abstract

Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass:
ermittelt wird, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter einer ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt;
eine Kurzschlussschaltung über den Stapel hinweg zugeschaltet wird, um den Stapel kurzzuschließen und zu bewirken, dass der Stapel ineffizient arbeitet, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter der ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt;
eine minimale Zellenspannung ermittelt wird, wenn die Temperatur des Stapels unter einer zweiten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; und
wenn die minimale Zellenspannung unter einer vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwelle liegt, die Strömung von Kathodenluft zu dem Stapel verringert wird, während die Kurzschlussschaltung über den Stapel hinweg zugeschaltet ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels insbesondere bei einem Stapelstart und im Spezielleren ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels bei einem Stapelstart, welche ein elektrisches Kurzschließen des Stapels umfassen und Kathodenluft als begrenzenden Reaktanden verwenden.
Erläuterung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung von Luft, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus.
Während eines Betriebes bei niedrigen Temperaturen wie z. B. unter 50 °C arbeitet ein Brennstoffzellenstapel auf Grund eines niedrigen Wassersättigungsdruckes allgemein mit flüssigem Wasser in den Strömungskanälen. Dieses flüssige Wasser kann Strömungsverteilungsprobleme, Probleme bei einem Start unter dem Gefrierpunkt und eine Elektrodenüberflutung verursachen. Wenn die Stapeltemperatur erhöht wäre, könnten viele dieser Probleme vermieden werden. Wenn sich der Stapel unter dem Gefrierpunkt befindet, kann sich in den Strömungskanälen Eis bilden, das bei einem Systemstart schnell zu flüssigem Wasser oder Wasserdampf geschmolzen werden muss, sodass es aus den Strömungskanälen herausgespült werden kann, um eine entsprechende Strömungsverteilung vorzusehen. Beim Abstellen des Systems werden Maßnahmen getroffen, um so viel Wasser wie möglich aus dem Stapel zu entfernen, indem flüssige Wassertropfen aus den Kanälen gespült werden und die MEAs und Diffusionsmedien durch Verdampfen getrocknet werden. Es ist im Allgemeinen jedoch nicht möglich, soviel Wasser wie erwünscht aus den MEAs und Diffusionsmedien zu entfernen, insbesondere für Starts bei niedrigen Temperaturen.
Es ist auf dem technischen Gebiet bekannt, die durch einen Brennstoffzellenstapel erzeugte Abwärme zu nutzen, um das System auf seine Betriebstemperatur zu bringen, was auf Grund des natürlichen Wirkungsgrades des Brennstoffzellenstapels relativ lange Zeit in Anspruch nehmen kann. Es ist auch bekannt, eine Heizung zu verwenden, um das Stapelkühlfluid bei einem Systemstart aufzuheizen, sodass die Temperatur des Stapels schneller ansteigt. Dieser Wärmeeintrag in das System ist durch die Größe der Kühlfluidheizung und die Fläche begrenzt, über der der Wärmtransport stattfindet. Es ist auch bekannt, Wasserstoffgas in den Kathoden-Luftstrom zu dem Stapel einzuleiten, um eine katalytische Verbrennung des Wasserstoffes auf dem Katalysator in der Kathodenseite der Brennstoffzellen zuzulassen, um Wärme bereitzustellen. Dabei sind jedoch infolge von Bedenken in Bezug auf die Brennbarkeit und das Austrocknen des Stapels Grenzen in Bezug auf die Menge von Wasserstoff gesetzt, der zu der Kathode geschickt werden kann.
Herkömmliche Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels sind aus den Druckschriften DE 101 10 352 A1 , US 2006 / 0 280 977 A1 , US 2008 / 0 090 111 A1 und WO 2008 / 082 383 A1 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels umfasst, dass ermittelt wird, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter einer ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter der ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt, wird eine Kurzschlussschaltung über den Stapel hinweg zugeschaltet, um den Stapel kurzzuschließen und zu bewirken, dass der Stapel ineffizient arbeitet. Ferner wird eine minimale Zellenspannung ermittelt, wenn die Temperatur des Stapels unter einer zweiten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt. Wenn die minimale Zellenspannung unter einer vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwelle liegt, wird die Strömung von Kathodenluft zu dem Stapel verringert, während die Kurzschlussschaltung über den Stapel hinweg zugeschaltet ist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste

1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das ein Verfahren zum schnellen Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet; und
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Aufheizen des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels bei einem Stapelkaltstart gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein System und ein Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels bei einem Stapelkaltstart durch Kurzschließen der Pole des Stapels vorsieht, ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren zum Verringern der Zeit vor, die benötigt wird, um einen Brennstoffzellenstapel bei kalten Temperaturen auf eine erwünschte minimale Betriebstemperatur aufzuwärmen. Ein Systemkaltstart kann jeder Start sein, bei dem die Temperatur des Kühlfluids, welches den Stapel oder die Stapelinnentemperatur an den bipolaren Platten oder Endplatten kühlt, niedriger ist als die normale Stapelbetriebstemperatur. Eine vorbestimmte Kaltstart-Temperatur T_cold-start kann experimentell definiert werden. Wenn sich der Stapel über der Kaltstart-Temperatur T_cold-start befindet, wird das Brennstoffzellensystem mit normalen Algorithmen beginnen. Wenn die Kühlfluidtemperatur jedoch unter der Kaltstart-Temperatur T_cold-start liegt, dann kann der hierin beschriebene Algorithmus verwendet werden, um den Brennstoffzellenstapel schneller aufzuheizen, sodass er die erwünschte Leistung bereitstellen kann.
1 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Kathodeneingangsluft wird durch einen Verdichter 14 bereitgestellt und wird zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Kathodeneingangsleitung 16 geschickt. Die Strömung der Kathodeneingangsluft wird durch einen Massenströmungsmesser 18 gemessen und das Kathodenabgas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 12 an der Kathodenabgasleitung 20 abgegeben. Die von dem Massenströmungsmesser 18 gemessene Kathoden-Luftströmung wird verwendet, um zu steuern, wie viel von der Kathodenluft in den Brennstoffzellenstapel 12 strömen wird und wie viel von der Kathodenluft den Brennstoffzellenstapel 12 an der Umgehungsleitung 22 umgehen wird. Ein Umgehungsventil 24 kann in der Umgehungsleitung 22 vorgesehen sein, um auf der Basis der Massenströmungsmessung die Menge von Kathodeneingangsluft selektiv zu steuern, die den Stapel 12 umgehen wird und direkt zu der Kathodenabgasleitung 20 geschickt wird. Das Umgehungsventil 24 ist optional und ist für einen korrekten Betrieb des Systems 10 nicht erforderlich.
Wasserstoffgas wird von einer Wasserstoffquelle 38 an einer Anodeneingangsleitung 26 an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 bereitgestellt. Ein Injektor oder ein geeignetes Strömungssteuerungsventil 28 ist in der Anodeneingangsleitung vorgesehen, um die Menge von Wasserstoffgas zu steuern, die von dem Stapel 12 aufgenommen wird. Das Anodenabgas wird an der Anodenabgasleitung 30 aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgegeben. Der Stapelausgangsdruck wird höher gehalten als der Umgebungsdruck, sodass immer überschüssiger Wasserstoff verfügbar ist und eine Anodenspülung möglich ist, um Stickstoff und andere Inertgase aus dem Stapel 12 zu entfernen. Ohne überschüssigen Wasserstoff kann der Stapel 12 einen Brennstoffmangel erleiden, was zu einem Schaden an den Elektroden in den Brennstoffzellen in dem Stapel 12 führt. Ein Drucksensor 32 stellt eine Messung des anodenseitigen Drucks des Brennstoffzellenstapels 12 bereit, um eine zwangsläufige Mitnahme zum Ablassen aufrechtzuerhalten und eine Rückmeldung für das Wasserstoffzufuhrsystem bereitzustellen. Darüber hinaus könnte das Verfahren eine Wasserstoffinjektor-Einschaltdauer oder einen Massenströmungsmesser verwenden, um sicherzustellen, dass Wasserstoff im Überschuss an den Brennstoffzellenstapel 12 bereitgestellt wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst auch ein thermisches Untersystem, das die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 während eines Betriebes des Stapels 12 steuert. Im Speziellen umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Kühlmittelkreis 34 außerhalb des Stapels 12, wobei ein Kühlfluid von einer Pumpe 36 durch den Kühlmittelkreis 34 und Kühlmittel-Strömungskanäle innerhalb des Stapels 12 gepumpt wird. Ein Kühlfluid-Temperatursensor 46 misst die Temperatur des Kühlfluids in dem Kühlmittelkreis 34 außerhalb des Stapels 12. Ein Kühler (nicht gezeigt) ist typischerweise in dem thermischen Untersystem vorgesehen, um das Kühlfluid, das aus dem Stapel 12 heraus strömt, zu kühlen. Zusätzliche Temperatursensoren an dem Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelströmungsmesser können verwendet werden, um die Systemzuverlässigkeit zu verbessern.
Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst einen Pluspol 40 und einen Minuspol 42, von wo die Ausgangsleistung des Stapels 12 bereitgestellt wird. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein Kurzschlussschalter 44 vorgesehen, der die Pole 40 und 42 selektiv elektrisch koppelt und trennt. Der Schalter 44 wird geschlossen, um den Brennstoffzellenstapel 12 kurzzuschließen und die Stapelspannung auf oder nahe an 0 Volt während Kaltstarts zu verringern, sodass der Brennstoffzellenstapel 12 ineffizient arbeitet und beträchtliche Wärme erzeugt. Der Kurzschlussschalter 44 besitzt einen viel niedrigeren Widerstand als der Hochfrequenzwiderstand des Stapels, sodass sich die Brennstoffzellen bei einem Grenzstrom befinden. Wenngleich in dieser Ausführungsform der Kurzschlussschalter 44 vorgesehen ist, können weitere Ausführungsformen einen niederohmigen elektrischen Widerstand verwenden, der in die und aus der Schaltung oder eine/r anderen Art von Spannungsregelungsvorrichtung zum Steuern der Ausgangsspannung des Stapels 12 geschaltet wird, sodass sie bei oder nahe bei 0 Volt liegt. Der elektrische Kurzschlusswiderstand kann über den Stapel 12 hinweg gekoppelt sein oder elektrische Kurzschlusswiderstände können über jede Brennstoffzelle oder Gruppen von Brennstoffzellen in dem Stapel 12 hinweg gekoppelt sein.
Wenn sich die Stapelspannung bei oder nahe bei 0 Volt befindet und Luft und Wasserstoff auf den Brennstoffzellenstapel 12 aufgebracht werden, arbeitet der Stapel 12, um beinahe die gesamte Wärme zu erzeugen. Wenn der Stapel 12 sich in dieser Konfiguration bei geschlossenem Schalter 44 befindet, müssen bestimmte Steuerprozeduren vorgenommen werden, um den Stapel 12 sicher zu betreiben, sodass die Verteilung von Luft und Wasserstoff über den gesamten Stapel 12 entsprechend bereitgestellt wird. Es ist insbesondere wünschenswert, dass jede Brennstoffzelle des Stapels 12 eine entsprechende Menge von Wasserstoff aufweist. Durch Steuern des Betriebes des Verdichters 14 kann die Wärmemenge, die durch den Stapel 12 bei geschlossenem Schalter 44 erzeugt wird, gesteuert werden. Eine geringe Menge von Wasserstoff würde zu den Strömungskanälen in dem Stapel 12 verteilt werden, während die Verdichterdrehzahl auf etwas weniger als die stöchiometrische Menge gesteuert würde.
2 ist ein Flussdiagramm 50, welches ein nicht einschränkendes Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wie der Brennstoffzellenstapel 12 bei Systemkaltstarts schnell aufgeheizt werden kann. Der Algorithmus ermittelt bei Feld 52, ob eine Brennstoffzellensystem-Startanforderung vorhanden ist, und, wenn ja, detektiert er bei Feld 54 die Brennstoffzellenstapeltemperatur mithilfe z. B. des Kühlfluid-Temperatursensors 46 oder einer internen Stapeltemperaturmessung. Der Algorithmus kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels z. B. durch Messen der Temperatur der Kathoden-Luftströmung oder des Anodenflusses oder Messen der Temperatur einer bipolaren Platte, Gasdiffusionsschicht (GDL von gas diffusion layer), MEA oder Endplatte in dem Brennstoffzellenstapel 12 ermitteln. Der Algorithmus ermittelt bei der Entscheidungsraute 56, ob die Stapeltemperatur über der vorbestimmten Temperaturschwelle T_cold-start liegt, und, wenn ja, startet der Algorithmus bei Feld 58 das System normal, da der Kaltstart-Algorithmus nicht notwendig ist.
Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 bei der Entscheidungsraute 56 unter der Temperaturschwelle T_cold-start liegt, dann startet der Algorithmus die Kühlfluidpumpe 36 und beginnt bei Feld 60, Kühlfluid durch den Stapel 12 strömen zu lassen. Die Bereitstellung einer Kühlfluidströmung durch den Stapel 12 während des Aufheizvorganges hilft dabei, die Gleichmäßigkeit des Aufheizens zu verbessern, und eliminiert jegliche schädigenden Wärmestaustellen innerhalb des Stapels 12. Der Algorithmus schaltet bei Feld 62 auch den Kurzschlussschalter 44 zu um einen Kurzschluss über die Pole 40 und 42 hinweg vorzusehen, sodass sich die Stapelspannung bei oder nahe bei 0V befindet und der Stapel 12 ineffizient arbeitet. Wenn der Schalter 44 geschlossen ist, werden jegliche Reaktanden innerhalb des Stapels 12 sofort verbraucht. Durch Schließen des Schalters 44 wird sich die Stapelspannung nahe bei 0 Volt befinden, wodurch die meiste Wärme erzeugt wird. Dann bewirkt der Algorithmus, dass Wasserstoffgas zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geschickt wird, wo die Wasserstoffgasversorgung zumindest in stöchiometrischen Mengen vorhanden ist, um einen Brennstoffmangel zu verhindern. Die Wasserstoffgasströmung muss jedoch begrenzt sein, da eine zu große Wasserstoffgasströmung zur Folge haben könnte, dass übermäßig viel Wasserstoffgas von der Anoden- zu der Kathodenseite des Stapels 12 gepumpt wird.
Dann ermittelt der Algorithmus bei Feld 66 die erforderliche Aufheizrate des Stapels 12, um den Stapel 12 so schnell wie möglich auf die erwünschte Temperatur zurückzubringen. Es gehen verschiedene Faktoren einschließlich der Wärmespeichermasse des Stapels 12, der Umgebungstemperatur etc. in die Ermittelung der Aufheizrate des Stapels 12 ein. Der Algorithmus wird auf der Basis dieser Faktoren ermitteln, wie viel Wärme notwendig ist, um es dem Fahrer des Fahrzeuges zu erlauben, das Fahrzeug innerhalb einer vorbestimmten minimalen Zeitspanne für die aktuellen Systemfaktoren zu betreiben. Die vorbestimmte Zeitspanne wird abhängig von den Faktoren wie z. B. der Umgebungstemperatur und der maximalen Rate, bei der der Stapel 12 aufgeheizt werden kann, variieren. Der Algorithmus berechnet bei Feld 68 die erforderliche Kathodenluft, die an den Stapel 12 bereitgestellt werden soll, um der ermittelten Aufheizrate gerecht zu werden. Die Kathodenluft wird bei einer gesteuerten Rate, die durch die Aufheizanforderungen vorgegeben ist, in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 dosiert. Der Strom, den der Stapel 12 erzeugt, basiert auf der Anzahl der Mole Luft. Die durch diese Reaktion erzeugte Wärme ist die maximal mögliche, da auf Grund des Kurzschlussschalters 44 nur ein kleiner Anteil der freien Energie der Reaktion verwendet wird, um elektrischen Strom zu produzieren. Der Rest der Energie geht direkt in Wärme auf, die von dem in dem Kühlmittelkreis 34 strömenden Kühlfluid weggenommen wird.
Sobald die richtige Menge von Kathodenluft bei Feld 66 berechnet ist, wird diese Menge bei Feld 70 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 strömen gelassen. Die Wasserstoffgasströmung zu der Anodenseite des Stapels 12 wird bei Feld 72 derart gesteuert, dass ein übermäßiges Pumpen von Wasserstoff vermieden wird. Der Algorithmus steuert die Menge von zu dem Stapel 12 strömendem Wasserstoff derart, dass kein überschüssiger Wasserstoff vorhanden ist, der durch die MEAs in den Brennstoffzellen zu der Kathodenseite des Stapels 12 strömen könnte. Es ist typischerweise wünschenswert, einen stöchiometrischen Überschuss von Wasserstoffströmung gegenüber der Luftströmung zu dem Stapel 12 aufrechtzuerhalten. Dann misst der Algorithmus bei Feld 74 die Stapelkühlfluid-Temperatur und ermittelt, ob die Kühlfluidtemperatur über einer vorbestimmten Temperaturschwelle liegt, die höher sein kann als die Kaltstart-Temperatur T_cold-stαrt.
Wenn die Temperatur des Kühlfluids bei der Entscheidungsraute 76 nicht über der vorbestimmten Schwelle liegt, dann ermittelt der Algorithmus bei Feld 78 die minimale Zellenspannung und ermittelt bei der Entscheidungsraute 80, ob die minimale Zellenspannung unter einer minimalen Zellenspannungsschwelle liegt. Durch Überwachen der minimalen Zellenspannung, während der Stapel 12 aufgeheizt wird, kann verhindert werden, dass Brennstoffzellen in dem Stapel 12 infolge des Aufheizvorganges Schaden nehmen, wenn sie dazu neigen, ihr elektrisches Potential umzukehren. Wenn die minimale Zellenspannung bei der Entscheidungsraute 80 unter der minimalen Schwelle liegt, dann verringert der Algorithmus bei Feld 82 den Kathodenluft-Sollwert und kehrt dann zu dem Feld 70 zurück, um die neue Kathodenströmungsrate zu dem Stapel 12 vorzusehen. Wenn die minimale Zellenspannung bei der Entscheidungsraute 80 nicht unter der minimalen Schwelle liegt, dann erhöht der Algorithmus bei Feld 92 die Kathoden-Luftströmung um einen vorbestimmten Betrag, bis eine maximale Strömung erreicht ist. Die neu berechnete Kathoden-Luftströmung wird dann bei dem Feld 70 an die Kathodenseite des Stapels geschickt.
Wenn die Stapeltemperatur bei der Entscheidungsraute 76 über der Schwelle liegt, dann wird der Stapel 12 entsprechend aufgeheizt und der Kurzschlussschalter 44 wird bei Feld 84 gelöst. Die elektrischen Fahrzeuglasten werden dann bei Feld 86 angelegt und das Brennstoffzellensystem 10 beginnt bei Feld 88 den normalen Betrieb. Dann wird es dem Fahrer bei Feld 90 gestattet, das Fahrzeug in Betrieb zu nehmen.
Bezugszeichenliste

52: FCS-Start-Anforderung
54: Brennstoffzellenstapeltemperatur bei Start wird detektiert
56: Temperatur über Schwelle?
58: Starte Fahrzeug normal
60: Starte Kühlmittelpumpe und beginne Strömung durch den Stapel
62: Schalte Kurzschlussschalter zu
64: Fülle Anode mit Wasserstoff mithilfe der normalen Startprozedur
66: Ermittle erforderliche Aufheizrate
68: Berechne erforderliche Kathodenluft
70: Leite berechnete Kathodenluftströmung
72: Steuere Wasserstoffströmung, um übermäßiges Pumpen von Wasserstoff zu verhindern
74: Miss Stapelkühlmitteltemperatur
76: Temperatur über Schwelle?
78: Überwache minimale Zellenspannung
80: Zellenspannung unter minimaler Schwelle?
82: Setze Kathodenluft-Sollwert herab
84: Löse Kurzschlussschalter
86: Lege elektrische Fahrzeuglast an
88: Beginne normalen FCS-Betrieb
90: Erlaube Fahrer, das Fahrzeug in Betrieb zu nehmen
92: Erhöhe Kathoden-Luftströmung um einen vorbestimmten Betrag, bis eine maximale Strömung erreicht ist

Claims

Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: ermittelt wird, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter einer ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; eine Kurzschlussschaltung über den Stapel hinweg zugeschaltet wird, um den Stapel kurzzuschließen und zu bewirken, dass der Stapel ineffizient arbeitet, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter der ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; eine minimale Zellenspannung ermittelt wird, wenn die Temperatur des Stapels unter einer zweiten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; und wenn die minimale Zellenspannung unter einer vorbestimmten minimalen Zellenspannungsschwelle liegt, die Strömung von Kathodenluft zu dem Stapel verringert wird, während die Kurzschlussschaltung über den Stapel hinweg zugeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner umfasst, dass eine erwünschte Aufheizrate des Brennstoffzellenstapels ermittelt wird, eine Kathoden-Luftströmung zu dem Brennstoffzellenstapel auf der Basis der erwünschten Aufheizrate berechnet wird, und die berechnete Kathodenluft zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömen gelassen wird, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter der ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, welches ferner umfasst, dass ein Wasserstoffgas im Überschuss zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömen gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, welches ferner umfasst, dass begonnen wird, ein Kühlfluid durch den Stapel strömen zu lassen, wenn sich der Stapel unter der ersten vorbestimmten Temperaturschwelle befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, welches ferner umfasst, dass die Kathoden-Luftströmung zu dem Stapel erhöht wird, wenn die minimale Zellenspannung nicht unter der minimalen Zellenspannungsschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ermitteln der Temperatur des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass die Temperatur eines Stapelkühlfluids gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Zuschalten einer Kurzschlussschaltung umfasst, dass ein Schalter geschlossen wird, der einen elektrischen Kurzschluss über den Stapel hinweg vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ermitteln der erwünschten Aufheizrate umfasst, dass die erwünschte Aufheizrate auf der Basis der Umgebungstemperatur und Stapelfaktoren, welche die thermische Stapelmasse umfassen, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, welches ferner umfasst, dass: begonnen wird, ein Kühlfluid durch den Stapel strömen zu lassen, wenn die Stapeltemperatur unter der ersten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; die Temperatur des Stapels gemessen wird, um zu ermitteln, ob die Temperatur über der zweiten vorbestimmten Temperaturschwelle liegt; und die Kurzschlussschaltung abgeschaltet wird und Fahrzeuglasten an den Stapel angelegt werden, wenn die Temperatur des Stapels über der zweiten Temperaturschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die zweite Temperaturschwelle höher ist als die erste Temperaturschwelle.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln und Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass die Temperatur des Kühlfluids gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln und Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass die Temperatur der Kathoden-Luftströmung oder des Anodenflusses gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln und Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels umfasst, dass die Temperatur einer bipolaren Platte, Gasdiffusionsschicht, MEA oder Endplatte in dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zuschalten der Kurzschlussschaltung umfasst, dass ein Schalter geschlossen wird, der einen elektrischen Kurzschluss über den Stapel hinweg vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zuschalten der Kurzschlussschaltung umfasst, dass ein elektrischer Widerstand über den Stapel hinweg angekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zuschalten der Kurzschlussschaltung umfasst, dass elektrische Widerstände über jede Brennstoffzelle oder Gruppen von Brennstoffzellen in dem Stapel hinweg angekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, welches ferner umfasst, dass die Kathoden-Luftströmung zu dem Stapel erhöht wird, wenn die minimale Zellenspannung nicht unter der minimalen Zellenspannungsschwelle liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Ermitteln der erwünschten Aufheizrate umfasst, dass die erwünschte Aufheizrate auf der Basis der Umgebungstemperatur und Stapelfaktoren, welche die thermische Stapelmasse umfassen, ermittelt wird.