DE102007026330A1

DE102007026330A1 - Abgasemissionssteuerung von Wasserstoff während des gesamten Brennstoffzellenstapelbetriebs

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Publication number: DE102007026330A1
Application number: DE102007026330A
Authority: DE
Inventors: David A. Arthur; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: DE102007026330B4; JP2013225514A; US20070287044A1; CN101090157A; JP5599965B2; CN100539269C; US7641993B2; JP2007329130A

Abstract

System und Verfahren zum Begrenzen der Menge an Wasserstoff, der von einer Anodenaustragsleitung abgelassen wird. Das Verfahren umfasst, dass eine Durckvorspannung zwischen einem Anodenauslass und einem Kathodenauslass eines Brennstoffzellenstapels beibehalten wird, so dass, wenn ein Anodenabgas von der Anodenaustragsleitung abgelassen und mit dem Kathodenabgas gemischt wird, die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Gas unter einem vorbestimmten Prozentsatz gehalten wird. Die Druckvorspannung ist derart, dass das Anodenabgas einen höheren Gasdruck als das Kathodenabgas besitzt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Konzentration von Wasserstoff, der von einer Anodenabgasströmung abgelassen wird, und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Konzentration von Wasserstoff, der von einer Anodenabgasströmung abgelassen wird, indem der Differenzdruck zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels gesteuert wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektro lyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Für Kraftfahrzeuganwendungen benötigt es typischerweise etwa 400 Brennstoffzellen, um die gewünschte Leistung bereitzustellen. Da in Brennstoffzellensystemkonstruktionen für Kraftfahrzeuge so viele Brennstoffzellen für den Stapel erforderlich sind, wird der Stapel manchmal in zwei Unterstapel aufgeteilt, von denen jeder etwa 200 Brennstoffzellen aufweist, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Strömung von Wasserstoffgas durch so viele parallele Brennstoffzellen effektiv bereitzustellen.
In der Technik ist es vorgeschlagen worden, ein Schalten der Stapelreihenfolge oder ein Verlagern der Strömung in einem Brennstoffzellensystem vorzusehen, das geteilte Stapel verwendet. Insbesondere sind geeignete Ventile und eine geeignete Verrohrung in dem System vorgesehen, so dass auf eine zyklische Weise das Anodenabgas, das einen ersten Unterstapel verlässt, an den Anodeneingang eines zweiten Unterstapels geliefert wird, und das Anodenabgas, das den zweiten Unterstapel verlässt, an den Anodeneingang des ersten Unterstapels geliefert wird.
Es ist erwünscht, dass die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant ist. Daher ist es in der Technik bekannt, mehr Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel einzuführen, als es für eine bestimmte Ausgangslast des Stapels erforderlich ist, so dass das Anodengas gleichmäßig verteilt wird. Jedoch ist aufgrund dieser Anforderung die Menge an Wasserstoff in dem Anodenabgas erheblich und würde zu einem geringen Systemwirkungsgrad führen, wenn dieser Wasserstoff ausrangiert würde. Daher ist es in der Technik bekannt, das Anodenabgas zur Wiederverwendung des ausrangierten Wasserstoffes zurück an den Anodeneingang zu rezirkulieren.
Die MEAs sind porös und ermöglichen somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels hindurchdringen und sich in der Anodenseite des Stapels sammeln kann, was in der Industrie als ein Stickstoffübertritt bezeichnet wird. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff derart, dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz, wie 50%, zunimmt, der Brennstoffzellenstapel instabil wird und ausfallen kann. In der Technik ist es bekannt, ein Ablassventil an dem Anodengasausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
Das Rezirkulationsgas, das periodisch von dem Anodenrezirkulationskreislauf abgelassen wird, enthält typischerweise eine beträchtliche Menge an Wasserstoff. In der Technik ist es bekannt, das abgelassene Rezirkulationsgas an einen Brenner zu führen, um den meisten oder den ge samten Wasserstoff darin zu verbrennen, bevor das Rezirkulationsgas an die Umgebung ausgetragen wird. Jedoch trägt der Brenner zu erheblichen Kosten, zu einem erheblichen Gewicht wie auch einer erheblichen Komplexität für das Brennstoffzellensystem bei, was unerwünscht ist.
In der Technik ist es auch bekannt, den Brenner wegzulassen und das Rezirkulationsgas direkt mit dem Kathodenabgas zu mischen. Wenn das Rezirkulationsgas direkt mit dem Kathodenabgas ohne Steuerung gemischt wird, ist die Menge an Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas nicht bekannt. In der Kathodenabgasleitung kann nach dem Mischpunkt mit dem Rezirkulationsgas ein Wasserstoffkonzentrationssensor vorgesehen sein, um die Konzentration von Wasserstoff zu detektieren. Der Wasserstoffkonzentrationssensor würde ein Signal an den Controller während des Ablassens liefern, das die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas angibt. Wenn die Konzentration von Wasserstoff zu hoch wäre, würde der Controller die Drehzahl des Kompressors erhöhen, um mehr Kathodenaustragsluft vorzusehen und damit die Konzentration von Wasserstoff zu verringern. Wenn der Kompressor nicht in der Lage wäre, die Konzentration von Wasserstoff effektiv unter der sicheren Grenze für die Stapellast zu halten, dann müsste der Controller das Ablassventil schließen. Jedoch müsste der Wasserstoffsensor kostengünstig und in der Lage sein, die Feuchte des Abgases auszuhalten. Derzeit sind bekannte Wasserstoffkonzentrationssensoren nicht in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum Begrenzen der Menge an Wasserstoff, die von einer Anodenabgasströmung in einem Brennstoffzellensystem abgelassen wird, of fenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Druckvorspannung zwischen einem Anodenauslass und einem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels beibehalten wird, so dass, wenn ein Anodenabgas abgelassen und mit dem Kathodenabgas gemischt wird, die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Gas unter einem vorbestimmten Prozentsatz beibehalten wird. Die Druckvorspannung ist derart, dass das Anodenabgas einen höheren Gasdruck aufweist, als das Kathodenabgas. Beim Systemstart umgeht Kathodeneinlassluft den Stapel zur direkten Mischung mit dem gemischten Kathodenabgas und Anodenabgas. Das Verfahren stellt bei nach oben gerichteten Leistungsübergängen an dem Stapel eine Anstiegsratengrenze für die Druckvorspannung ein, so dass jede Verzögerung zwischen einer Bereitstellung von Kathodenluft für den Stapel und Wasserstoffreaktandengas für den Stapel reduziert ist. Das Verfahren verhindert auch manchmal einen Wasserstoffabgasablass während eines Leistungsübergangs nach unten.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das ein Ablassen von Stickstoff steuert, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Steuern der Menge an Wasserstoff gerichtet ist, der von einer Abgasströmung in einem Brennstoffzellensystem abgelassen wird, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Beispielsweise beschreibt die nachfolgende Diskussion ein Verfahren zur Steuerung der Menge an Wasserstoff, die von einer Abgasströmung von einem Anodenrezirkulationskreislauf abgelassen wird. Jedoch besitzt das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung der Menge an Wasserstoff, die von einer Abgasströmung abgelassen wird, auch Anwendung für andere Brennstoffzellensysteme, wie diejenigen, die getrennte Stapel wie auch ein Verlagern von Anodenströmung verwenden.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 wird an eine Mischverzweigung 16 geliefert und dann an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf der Leitung 18 gesendet. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf Leitung 20 ausgegeben und an ein Ablassventil 26 geliefert. Eine Rezirkulationspumpe (nicht gezeigt) pumpt das Anodenabgas durch das Ventil 26 an die Mischverzweigung 16 zur Mischung mit frischem Wasserstoff von der Quelle 14, um einen Anodenrezirkulationskreislauf vorzusehen. Die korrekte Mischung des frischen Wasserstoffs von der Quelle 14 mit dem rezirkulierten Anodenabgas an der Mischverzweigung 16 stellt den Druck der Anodenseite des Stapels 12 ein.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch einen Kompressor 30 auf, der Kathodenluft auf Leitung 32 an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 liefert. Das Kathodenabgas von dem Stapel 12 wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 34 ausgegeben.
Wie oben beschrieben ist, verdünnt ein Stickstoffübertritt von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 den Wasserstoff in der Anodenseite, was die Stapelleistungsfähigkeit beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, das Anodenabgas periodisch abzulassen, um die Menge an rezirkuliertem Stickstoff zu reduzieren. Beim Ablassen des Stickstoffes wird das Ventil 26 gesteuert, um das Anodenabgas von dem Rezirkulationskreislauf an eine Abgasleitung 28 zu schalten. Bei dieser Ausführungsform wird das abgelassene Rezirkulationsgas in der Leitung 28 mit dem Kathodenabgas an der Leitung 34 in einer Mischverzweigung 36 gemischt.
Das System 10 weist auch eine Leitung 40 auf, die mit der Kathodeneingangsleitung 32 und der Mischverzweigung 36 gekoppelt ist. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, kann es bei bestimmten Zeiten des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 erwünscht sein, den Brennstoffzellenstapel 12 mit einem Teil der Kathodeneingangsluft durch Steuerung eines Bypassventils 42 zu umgehen, so dass mehr Luft in dem Kathodenabgas vorhanden ist, um die Konzentration von Wasserstoff zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Steuern der Wasserstoffemissionen in dem Austrag des Brennstoffzellensystems 10 vor. Bei bestimmten Konstruktionen von Brennstoffzellensystemen ist es erwünscht, den Prozentsatz von Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas auf kleiner als 2 Vol.-%, nur für wenige Sekunden zwischen 2 Vol.-% und 4 Vol.-% und niemals größer als 4 Vol.-% zu halten.
Ein Brennstoffzellensystem besitzt grundsätzlich vier Betriebsarten. Insbesondere besitzt das Brennstoffzellensystem eine Startbetriebsart, eine stabile Betriebsart, Leistungsübergangsbetriebsarten und eine Abschaltbetriebsart. Gemäß der Erfindung ist die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Kathoden-/Anodenabgas während eines Ablassens der Anode durch Begrenzung der Menge an Wasserstoff, die von dem Rezirkulationskreislauf abgegeben wird, begrenzt. Die vorliegende Erfindung schlägt ein Begrenzen der Menge an Wasserstoff in dem gemischten Kathoden- und Anodenaustrag dadurch vor, dass eine Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite des Stapels 12 und der Anodenseite des Stapels 12 vorgesehen wird, wobei die Anodenseite einen größeren Druck in einem vorher festgelegten Bereich als die Kathodenseite besitzt.
Gemäß der Erfindung besitzt die Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Stapels 12 eine obere Grenze und eine untere Grenze abhängig von verschiedenen Faktoren. Beispielsweise sollte der anodenseitige Druck aufgrund von Sensorungenauigkeiten, Strömungsverlagerungseffekten, etc. zumindest 10 kPa höher als der kathodenseitige Druck sein, um zu verhindern, dass das Kathodenabgas in die Anodenseite des Stapels strömt. Jedoch sollte die Druckvorspannung stets so hoch wie möglich sein, so dass der maximale zulässige Anodenabgasdurchfluss während eines Ablassens auftritt. Ein höherer Durchfluss ist wichtig, um so viel Wasser und Stickstoff wie möglich von den Anodenströmungskanälen während des Ablassens zu entfernen. Der Wert von 10 kPa bei niedrigen Stapelstromdichten bewirkt eine ausreichend geringe Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas, sogar obwohl die Menge an Luft in dem Abgas niedrig ist. Bei hohen Stromdichten kann die Druckvorspannung etwa 35 kPa betragen, um eine ausreichende Strömung zur Entfernung von Wasser ohne eine Erhöhung der Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas aufgrund der größeren Menge an Luft vorzusehen.
Beim Systemstart befindet sich Luft in den Anodenströmungskanälen aus der vorhergehenden Abschaltung, und Wasserstoff wird in die Anoden strömungskanäle injiziert. Die Wasserstoff/Luft-Front sollte sich durch die Anodenseite des Stapels 12 aus verschiedenen Gründen, wie einem schnelleren, zuverlässigeren Start, so schnell wie möglich, wie es in der Technik gut bekannt ist, bewegen. Um diesen schnellen Start vorzusehen, muss eine signifikante Menge an Wasserstoff durch die Anodenseite des Stapels 12 strömen, um die Luft zu verdrängen, wodurch ein potenzielles Problem mit überhöhtem ausgetragenem Wasserstoff erzeugt wird.
Gemäß der Erfindung wird ein spezieller Steueralgorithmus in dem Controller 48 dazu verwendet, die Wasserstoffemissionen beim Start zu reduzieren. Insbesondere wird der Kompressor 30 vor der Wasserstoffströmung gestartet, und das Ventil 42 wird geöffnet, so dass Luft in der Leitung 40 an die Mischverzweigung 36 geliefert wird. Bald danach beginnen die Wasserstoffinjektoren (nicht gezeigt), Wasserstoff in die Anodenseite des Stapels 12 und aus dem Ablassventil 26 zu injizieren. Die Kathodenluft, die den Stapel 12 umgeht, verdünnt diese anfängliche Wasserstoffblase, die die in den Anodenströmungskanälen vorhandene Luft verdrängt, so dass die Wasserstoffemissionen unter 2 Vol.-% gehalten werden. Nach einer gewissen vorbestimmten Zeitdauer wird das Ventil 42 geschlossen, und die gesamte Luft von dem Kompressor 30 wird durch die Kathodenseite des Stapels 12 in Übereinstimmung mit der Last auf den Stapel 12 geführt. Ferner wird das Ablassventil 26 geschlossen. Während dieser Zeit sind keine weiteren Wasserstoffemissionen vorhanden, und die Brennstoffzellenreaktion bewirkt, dass die Zellenspannungen eine Leerlaufspannung erreichen. Eine bestimmte Zeit nach diesem Punkt wechselt das System 10 in eine normale Laufbetriebsart, und es wird zugelassen, dass Leistung von dem Stapel 12 gezogen werden kann.
Während des stabilen Betriebs wird eine "Druckvorspannung" zwischen dem Rezirkulationsgas von dem Ablassventil 26 während des Ablassens und dem Kathodenabgas auf der Leitung 34 beibehalten, wobei der Rezirkulationsgasdruck an dem Ablassventil 26 höher als der Kathodenabgasdruck auf der Leitung 34 ist. Diese Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 10 behält die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Kathoden- und Anodenabgas unter 2% bei.
Das System 10 ist so kalibriert, dass für eine gegebene Kathodenreaktandengasströmung/Kathodenstöchiometrie als eine Funktion der Stromdichte eine erwünschte Druckvorspannung zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite vorgesehen wird. Mit anderen Worten, wenn die Kathodenstöchiometrie im stabilen Zustand bei 0,2 A/cm² 3,0 beträgt, dann ist eine entsprechende kalibrierte Druckvorspannung vorhanden, die an der Anodenseite des Stapels 12 beispielsweise 25 kPa höher ist, was in einer Konzentration von gemischtem Luft/Wasserstoffaustrag resultiert, die geringfügig kleiner als 2% ist, sogar, wenn die Anodenwasserstoffkonzentration 100% beträgt. Somit überschreitet sogar, wenn. das Ablassventil 26 konstant geöffnet ist, die Abgaskonzentration im stabilen Zustand niemals 2%. Es kann eine Druckvorspannungstabelle für den stabilen Betrieb vorgesehen werden, wo eine Soll-Druckdifferenz zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Stapels 12 ungeachtet der Last auf den Stapel 12 beibehalten wird. Typischerweise sind die Druckvorspannungswerte für unterschiedliche Niveaus von Wasserstoff in der Nähe des Leerlaufs am kleinsten, beispielsweise 10 kPa, und bei Hochleistung am höchsten, beispielsweise 35 kPa.
Es kann sein, dass die oben beschriebene Druckvorspannungstabelle nicht in der Lage ist, übermäßige Wasserstoffaustragsemissionen während eines Leistungsübergangs nach oben zu verhindern, da eine höhere Druckvorspannung die Wasserstoffaustragskonzentration für eine sehr kurze Zeit erhöhen kann, da die Wasserstoffinjektoren schneller als der Kompressor 30 ansprechen. Um dieses potenzielle Problem zu berücksichtigen, schlägt die vorliegende Erfindung bei Leistungsübergängen nach oben eine Anstiegsratengrenze für den Druckvorspannungseinstellpunkt vor. Beispielsweise würde bei einer Anforderung von einer Leerlaufleistung zu einer maximalen Leistung von dem Stapel 12 der Einstellpunkt normalerweise von 10 kPa auf 35 kPa gestuft. Die höhere Wasserstoffströmung, die durch diese höhere Druckvorspannung bewirkt wird, wird manchmal solange nicht ausreichend verdünnt, bis der Kompressor 30 den Soll-Kathodeneinstellpunkt für maximale Leistung erreicht. Wenn die Zunahmerate des Druckvorspannungseinstellpunktes auf kleiner als die Kathodenströmungszunahmerate begrenzt ist, dann bleibt der Wasserstoff über den Leistungsübergang nach oben hinweg ausreichend verdünnt.
Wenn ein schneller Leistungsübergang nach unten mit signifikanter Größe und Geschwindigkeit vorhanden ist, kann es sein, dass die Druckvorspannung nicht ausreichend Zeit hat, signifikant anzusteigen, und somit kann das System übermäßigen Wasserstoff in dem Anodenabgas bei dem Leistungsübergang nach unten während eines Rezirkulationsablassens vorsehen. Gemäß der Erfindung kann der Algorithmus eine Ablassanforderung während eines Leistungsübergangs nach unten verhindern oder außer Kraft setzen, um zu viel Wasserstoff in dem gemischten Abgas zu verhindern.
Ein Leistungsübergang nach unten ist besonders schwierig, wenn er nach einem Übergang zu hoher Leistung auftritt oder nachdem der Stapel 12 für eine lange Zeitdauer bei hoher Leistung betrieben worden ist. Wenn sich das System 10 bei maximaler oder hoher Leistung befindet, ist eine große Wasserstoffströmung durch die Anodenkanäle vorhanden, wobei das meiste derselben durch die Reaktion verbraucht wird. Sobald ein Leis tungsübergang nach unten auftritt, ist plötzlich eine große Menge an Wasserstoff vorhanden und es ist nicht möglich, diesen in dem Stapel 12 zu verbrauchen. Glücklicherweise besteht auch keine Notwendigkeit, Anodenabgas durch das Ablassventil 26 in den Kathodenaustrag für eine gewisse kurze Zeitdauer während dieser Leistungsübergänge nach unten abzulassen. Daher setzt die vorliegende Erfindung jegliche Ablassanforderung außer Kraft, wenn ein Leistungsübergang nach unten detektiert wird, und hält das Ablassventil 26 für eine kurze Zeitdauer geschlossen. Nachdem diese Zeitdauer vergangen ist, endet die Außerkraftsetzung, und es kann ein normaler Ablassbetrieb wieder aufgenommen werden. Dies verhindert eine übermäßige Wasserstoffkonzentration in der Kathodenaustragsmischung während eines großen Leistungsübergangs nach unten.
Bei einer Abschaltung des Systems ist es erwünscht, dass das System 10 die Kathoden- und Anodenströmungskanäle in dem Stapel 12 spült, um so viel Wasser wie möglich zu entfernen und damit ein Gefrieren nach einer Abschaltung zu verhindern oder ein Fluten von Zellen bei einem anschließenden Neustart bei kälteren Temperaturen zu verhindern. Bei dieser Abschaltspülung wird mehr als ausreichend Kathodenluft auf der Leitung 34 ausgetragen, um den Großteil des in dem System 10 bei der Abschaltung vorhandenen Wasserstoffs zu verdünnen.
Ferner ist bei einigen Brennstoffzellensystemkonstruktionen der Kompressor 30 ein Turbokompressor, der ein großes Volumen an Luftströmung für Hochleistungsanforderungen vorsieht. Während derjenigen Zeiten, wenn die Leistungsanforderung gering ist, wäre es für den Kompressor 30 schwierig, um einen stabilen geringen Durchfluss beizubehalten. Daher kann ein Teil der Kathodenströmung durch das Ventil 42 um den Stapel 12 herum gelenkt werden, so dass der Kompressor 30 schneller laufen kann, als es für die Systemleistungsanforderung notwendig ist.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel; einer Kathodeneingangsleitung, die Kathodeneingangsluft an den Brennstoffzellenstapel liefert; einer Anodeneingangsleitung, die ein Anodeneingangsgas an den Brennstoffzellenstapel liefert; einer Kathodenausgangsleitung, die ein Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel liefert; einer Anodenaustragsleitung, die ein Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel liefert; einer Mischverzweigung zum Mischen des Kathodenabgases und des Anodenabgases; und einem Controller zur Begrenzung der Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Kathoden- und Anodenabgas, wobei der Controller eine Druckvorspannung zwischen der Anodenausgangsleitung und der Kathodenausgangsleitung beibehält, um so die Konzentration von Wasserstoff unter einem vorbestimmten Prozentsatz zu halten.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller so kalibriert ist, dass für eine bestimmte Kathodenluftströmung und Kathodenstöchiometrie für eine gewünschte Stapelstromdichte eine entsprechende Anodenabgasströmung vorgesehen ist, so dass der Anodenabgasdruck um einen vorbestimmten Wert höher als der Kathodenabgasdruck ist, so dass die Kathodenabgasströmung die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas unter dem vorbestimmten Prozentsatz hält.
System nach Anspruch 2, wobei der Anodenabgasdruck abhängig von der Stromdichte des Stapels in dem Bereich von 10 kPa–35 kPa höher als der Kathodenabgasdruck ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Anodenabgasablassventil, wobei das Ablassventil von dem Controller so gesteuert ist, dass das Anodenabgas manchmal mit dem Kathodenaustrag gemischt wird und manchmal das Kathodenabgas zurück an die Anodeneingangsleitung rezirkuliert wird.
System nach Anspruch 4, wobei der Controller während eines Leistungsübergangs nach unten ein Ablassen von Wasserstoffabgas durch das Ablassventil verhindert.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Kompressor und einem Bypassventil, wobei der Kompressor die Kathodeneinlassluft an den Brennstoffzellenstapel liefert und der Controller das Bypassventil steuert, um Kompressorluft vorzusehen, die den Brennstoffzellenstapel umgeht und mit dem Kathodenabgas und dem Anodenabgas gemischt wird.
System nach Anspruch 6, wobei der Controller das Bypassventil beim Systemstart öffnet.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller beim Systemstart zu einem Zeitpunkt Kathodenluft durch den Stapel liefert und den Stapel umgeht, und dann zulässt, dass zu einer späteren Zeit Wasserstoff in den Stapel strömt, so dass eine signifikante Menge an Luft an der Mischverzweigung für den Wasserstoff vorgesehen wird, der durch den Stapel beim Start strömen kann.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller eine Anstiegsratengrenze für die Druckvorspannung bei nach oben gerichteten Leistungsübergängen an dem Brennstoffzellenstapel festlegt, so dass jegliche Verzögerung zwischen einem Kompressor, der Kathodenluft liefert, und einer Wasserstoffquelle, die Wasserstoffreaktandengas liefert, reduziert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Druckvorspannung die Wasserstoffkonzentration unter 2 Vol.-% hält.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel; einem Kompressor, der Kathodeneingangsluft an die Kathodenseite des Stapels liefert; einem Bypassventil, um zu ermöglichen, dass Kathodeneingangsluft den Brennstoffzellenstapel umgeht; ein Anodenaustragsablassventil zum Ablassen von Anodenabgas von dem Stapel; eine Mischverzweigung zum Mischen von Kathodenabgas von dem Stapel und dem Anodenabgas, das von dem Stapel durch das Ablassventil abgelassen ist; und einem Controller zum Begrenzen der Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Kathoden- und Anodenabgas, wobei der Controller eine Druckvorspannung zwischen einem Anodenabgasauslass und einem Kathodenabgasauslass beibehält, um so die Konzentration von Wasserstoff unter einem vorbestimmten Prozentsatz zu halten, wobei die Druckvorspannung einen höheren Anodenabgasdruck als den Kathodenabgasdruck vorsieht, wobei der Controller das Bypassventil beim Systemstart steuert, um Kathodenluft vorzusehen, die den Stapel umgeht und mit dem Kathodenabgas und dem Anodenabgas gemischt wird, wobei der Controller eine Anstiegsratengrenze für die Druckvorspannung bei nach oben gerichteten Leistungsübergängen an dem Stapel festlegt, so dass jede Verzögerung zwischen dem Kompressor, der die Kathodeneingangsluft vorsieht, und einer Wasserstoffquelle, die ein Wasserstoffreaktandengas vorsieht, reduziert ist, wobei der Controller ferner ein Ablassen von Wasserstoffaustrag durch das Ablassventil während eines Leistungsübergangs nach unten verhindert.
System nach Anspruch 11, wobei der Controller so kalibriert ist, dass für eine bestimmte Kathodenluftströmung und Kathodenstöchiometrie für eine gewünschte Stapelstromdichte eine entsprechende Anodenabgasströmung vorgesehen wird, so dass der Anodenabgasdruck um einen vorbestimmten Wert höher als der Kathodenabgasdruck ist, so dass die Kathodenabgasströmung die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas unter dem vorbestimmten Prozentsatz hält.
System nach Anspruch 12, wobei der Anodenabgasdruck abhängig von der Stromdichte des Stapels in dem Bereich von 10 kPa–35 kPa höher als der Kathodenabgasdruck ist.
System nach Anspruch 11, wobei der Controller beim Systemstart zu einem Zeitpunkt Kathodenluft durch den Stapel liefert und den Stapel umgeht, und dann zulässt, dass zu einer späteren Zeit Wasserstoff in den Stapel strömt, so dass eine signifikante Menge an Luft an der Mischverzweigung für den Wasserstoff vorgesehen wird, der durch den Stapel beim Start strömen kann.
System nach Anspruch 11, wobei die Druckvorspannung die Wasserstoffkonzentration unter 2 Vol.-% hält.
Verfahren zum Begrenzen der Konzentration von Wasserstoff in einem gemischten Kathoden- und Anodenabgas von einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Anodenabgas von dem Stapel geliefert wird; ein Kathodenabgas von dem Stapel geliefert wird; das Anodenabgas und das Kathodenabgas von dem Stapel gemischt werden; und eine Druckvorspannung zwischen einem Anodenauslass und einem Kathodenauslass beibehalten wird, um die Konzentration von Wasserstoff unter einem vorbestimmten Prozentsatz zu halten, wobei der Anodenabgasdruck höher als der Kathodenabgasdruck ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass eine bestimmte Kathodenluftströmung zu dem Stapel und eine Kathodenstöchiometrie für eine gewünschte Stapelstromdichte vorgesehen werden, wobei das Liefern eines Anodenabgases von dem Stapel umfasst, dass eine entsprechende Anodenabgasströmung geliefert wird, so dass der Anodenabgasdruck um einen vorbestimmten Wert höher als der Kathodenabgasdruck ist, so dass die Kathodenabgasströmung die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas unter dem vorbestimmten Prozentsatz hält.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Anodenabgasdruck abhängig von der Stromdichte des Stapels in dem Bereich von 10 kPa–35 kPa höher als der Kathodenabgasdruck ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass Kathodeneingangsluft mit dem gemischten Kathoden- und Anodenabgas beim Systemstart gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass eine Anstiegsratengrenze für die Druckvorspannung während Leistungsübergängen nach oben an dem Stapel festgelegt wird, so dass jede Verzögerung zwischen der Kathodeneingangsluft zu dem Stapel und Wasserstoffreaktandengas zu dem Stapel reduziert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend, dass ein Ablassen von Anodengas durch das Ablassventil während eines Leistungsübergangs nach unten verhindert wird.