DE102007059737B4

DE102007059737B4 - Verfahren zur Bestimmung des Anodenabgasablasses sowie dazugehöriges Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007059737B4
Application number: DE102007059737A
Authority: DE
Inventors: Manish Sinha; Prasad Gade; Daniel Difiore
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2013-09-26
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: JP2008181864A; CN101262068B; US20080145720A1; DE102007059737A1; US7544430B2; CN101262068A; JP4895989B2

Abstract

Verfahren, um zu bestimmen, wann ein Anodenabgas von einem Brennstoffzellenstapel abgelassen werden soll, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Menge an Stickstoff, die von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt wird; die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt wird; die Konzentration von Stickstoff oder die Konzentration von Wasserstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der Stickstoffströmung zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird; und das Anodenabgas abgelassen wird, wenn die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels über einen vorbestimmten Wert hinaus geht, wobei das Bestimmen der Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, umfasst, dass eine Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite bestimmt wird, indem eine Standardabweichung von Spannungsausgängen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt wird und die Standardabweichung als ein Modell zur Bestimmung der Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Prozess, um zu bestimmen, wann ein Ablassen von Anodenabgas ausgeführt werden soll, um Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels zu entfernen, und insbesondere einen Prozess, um zu bestimmen, wann ein Ablassen von Anodenabgas ausgeführt werden soll, um Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels zu entfernen, das eine Leckrate von der Anodenseite zu der Kathodenseite durch Zellenmembrane infolge von Stiftlöchern darin berücksichtigt.
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 Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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 auf, gewöhnlich Platin (Pt), 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 besitzen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Kompressor 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. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An 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 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.
Die MEAs sind permeabel und ermöglichen somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels hindurch dringen und sich in der Anodenseite des Stapels sammeln kann, was in der Industrie als ein Stickstoffübertritt bzw. Cross Over bekannt ist. Sogar obwohl der anodenseitige Druck größer als der kathodenseitige Druck sein kann, bewirken die kathodenseitigen Partialdrücke, dass Luft durch die Membran dringen kann. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, so dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz, wie 50%, ansteigt, der Brennstoffzellenstapel instabil wird und ausfallen kann. In der Technik ist es bekannt, ein Ablassventil an dem Anodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
Typischerweise wird ein Algorithmus verwendet, um eine Onlineabschätzung der Stickstoffkonzentration in dem Anodenabgas während des Stapelbetriebs bereitzustellen, um Kenntnis darüber zu erlangen, wann das Ablassen des Anodenabgases ausgelöst werden soll. Der Algorithmus verfolgt die Stickstoffkonzentration über die Zeit in der Anodenseite des Stapels auf Grundlage der Permeationsrate von der Kathodenseite zu der Anodenseite und die periodischen Ablassvorgänge des Anodenabgases. Wenn der Algorithmus eine Zunahme der Stickstoffkonzentration über eine vorbestimmte Schwelle, beispielsweise 10%, berechnet, löst er das Ablassen aus. Das Ablassen wird für eine Dauer ausgeführt, die ermöglicht, dass mehrere Stapelanodenvolumen abgelassen werden können, wodurch die Stickstoffkonzentration unter die Schwelle reduziert wird.
Die bekannten Strategien zum Ablassen von Anodenabgas berücksichtigen keine Änderungen in der Permeationsrate der Membran über die Lebensdauer des Stapels. Insbesondere entwickeln, wie es in der Technik gut bekannt ist, die MEAs kontinuierlich Stiftlöcher, wenn der Stapel altert, und zwar aufgrund der elektrochemischen Reaktion, die die Permeationsrate zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite erhöht. Da die Anodenseite typischerweise bei einem höheren Absolutdruck gehalten wird als die Kathodenseite, nimmt die Rate der Stickstoffansammlung in der Anodenseite tatsächlich über die Zeit ab, wodurch weniger Ablassvorgänge von Anodenabgas oder geringere Anodenabgas-Ablassdauern erforderlich werden. Insbesondere strömt der Stickstoff von der Anodenseite zurück zu der Kathodenseite durch konvektive Strömung durch die Stiftlöcher.
Ein herkömmliches Verfahren, um zu bestimmen, wann ein Anodenabgas von einem Brennstoffzellenstapel abgelassen werden soll, ist aus der Druckschrift US 2005/0 181 249 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren offenbart, um zu bestimmen, wann ein Ablassen von Anodenabgas von einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden soll, wenn der Brennstoffzellenstapel altert. Das Verfahren bestimmt die Menge an Stickstoff, die von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt. Das Verfahren bestimmt auch die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, indem eine Standardabweichung von Spannungsausgängen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt wird und die Standardabweichung als ein Modell zur Bestimmung der Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet wird. Die Leckrate wird dann in die Strömung von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite umgewandelt. Das Verfahren bestimmt die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der Stickstoffströmung zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels und öffnet ein Ablassventil, um das Anodenabgas abzulassen, wenn die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels über einen vorbestimmten Wert hinaus geht.
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 eine Draufsicht einer Brennstoffzelle, die eine Stickstoffpermeation von der Kathodenseite zu der Anodenseite der Brennstoffzelle, eine Stickstoffpermeation von der Anodenseite zu der Kathodenseite der Brennstoffzelle und ein Ablassen von Stickstoff von der Anodenseite der Brennstoffzelle zeigt;
2 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Ablassventil zum Ablassen eines Anodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel; und
3 ist ein Schaubild mit der Zeit an der horizontalen Achse, der Leckrate an der linken vertikalen Achse von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels und einer Standardabweichung der Brennstoffzellenspannungen an der rechten vertikalen Achse, das eine Korrelation zwischen einer Übertrittsleckage und einer Zellenspannungsstandardabweichung für einen Brennstoffzellenstapel zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Prozess gerichtet ist, um zu bestimmen, wann ein Ablassen von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem über die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels bereitgestellt werden soll, ist lediglich beispielhafter Natur und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine Darstellung einer Brennstoffzelle 50, die eine Anodenseite 52, eine Kathodenseite 54 und eine Membran 56 dazwischen aufweist. Die Linie 58 repräsentiert die Stickstoffübertrittsströmung von der Kathodenseite 54 zu der Anodenseite 52, die Linie 60 repräsentiert die Strömung aus der Anodenseite 52 während des Ablassens von Anodenabgas und die Linie 62 repräsentiert die Permeation des Stickstoffs von der Anodenseite 52 durch Stiftlöcher in der Membran 56. Da die interne Permeation durch Stiftlöcher in der Membran erfolgt, ist die Strömung von Stickstoff von der Anodenseite 52 zu der Kathodenseite 54, wenn der Stapel 50 neu ist, sehr gering, und somit berücksichtigt das Modell zum Ablassen von Anodenabgas typischerweise diese Permeation nicht, um zu bestimmen, wann das Ablassen von Anodenabgas bereitgestellt werden soll. Da das Modell zum Ablassen von Anodenabgas diese Permeation nicht berücksichtigt, löst es Ablassvorgänge von Anodenabgas aus, bevor sie notwendig sind, wenn der Stapel altert, wodurch der Brennstoffwirkungsgrad reduziert wird.
Die Leckrate der Membran könnte während der Fahrzeugwartung offline bestimmt werden, und das Modell zum Ablassen von Anodenabgas könnte aktualisiert werden. Es ist jedoch erstrebenswerter, eine mit dem laufenden Betrieb gekoppelte Technik bzw. Online-Technik zu haben, die die Ablasssteuerstrategie kontinuierlich anpasst, wenn der Brennstoffzellenstapel altert.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 ist dazu bestimmt, einen beliebigen Typ von Brennstoffzellensystem zu repräsentieren, der ein Ablassen von Anodenabgas erfordert, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen, wie Brennstoffzellensystemen, die das Anodenabgas zurück an den Anodeneinlass umwälzen, und Brennstoffzellensystemen, die eine geteilte Stapelkonstruktion mit einem Anodenströmungswechsel verwenden. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 wird an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf Leitung 18 geliefert. Luft von einem Kompressor 30 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf Leitung 32 geliefert. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf Leitung 20 ausgegeben und an ein Ablassventil 26 geliefert. Ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 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 Stickstoff in dem Anodensubsystem zu reduzieren. Wenn das Ablassventil 26 offen ist, strömt das abgelassene Anodenabgas durch die Ablassleitung 28. Bei dieser Ausführungsform wird das abgelassene Gas in der Leitung 28 mit dem Kathodenabgas auf Leitung 34 in einer Mischverzweigung 36 gemischt.
Um das Anodensubsystem zu überwachen, sind verschiedene Sensoren in dem System 10 vorgesehen. Insbesondere misst ein Drucksensor 40 den Druck an dem Einlass zu dem Ablassventil 26, ein Drucksensor 42 misst den Druck an dem Auslass des Ablassventils 26 und ein Temperatursensor 44 misst die Temperatur des Anodenabgases an dem Einlass zu dem Ablassventil 26. Ferner misst ein Durchflussmesser 46 die Luftströmung, die in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Durchflussmesser 46 weggelassen werden und der Durchfluss der Kompressorluft kann auf Grundlage verschiedener Faktoren abgeleitet werden, wie einem Kompressorkennfeld, einer Kompressordrehzahl, einem Einlass/Auslass-Druck, einer Temperatur, etc.
Wie oben beschrieben, ist es notwendig, das Ablassen des Anodenabgases an die Kathodenabgasleitung 34 zu steuern, so dass die Konzentration von Wasserstoff darin unter einem vorbestimmten sicheren Niveau beibehalten wird. Typischerweise wird angestrebt, den Prozentsatz von Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas auf weniger als einige wenige Volumenprozent beizubehalten. Um diese Funktion auszuführen, nimmt ein Controller 48 das Temperatursignal von dem Temperatursensor 44, das Drucksignal von dem Drucksensor 40, das Drucksignal von dem Drucksensor 42 und das Strömungssignal von dem Durchflussmesser 46 auf. Der Controller 48 verwendet einen Algorithmus, der die Konzentration von Wasserstoff, der von dem Ablassventil 26 abgelassen wird, bestimmt und den Kompressor 30 und das Ablassventil 26 steuert, um die Wasserstoffkonzentration in dem kombinierten Abgas unterhalb einem vorbestimmten Niveau beizubehalten. Der Controller 48 verwendet auch einen Algorithmus, um die Konzentration von Stickstoff in dem Anodenabgas zu bestimmen, und, wenn ein Ablassen von Anodenabgas erforderlich ist, die Stickstoffkonzentration darin zu reduzieren.
Es ist entdeckt worden, dass eine Korrelation zwischen der Leckrate oder Permeationsrate von Anodengasen, die durch Stiftlöcher in den Membranen von der Anodenseite zu der Kathodenseite der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel strömen, und der Standardabweichung σ T / R der Spannungsbereiche der Brennstoffzellen über ein Übergangsfenster des Brennstoffzellenstapels existiert. Die Leckrate kann aus Tests bestimmt werden, wenn ein Brennstoffzellenstapel altert, und die Standardabweichung σ T / R wird durch die folgende Gleichung bestimmt:
wobei V j / i die Spannung der i-ten Zelle für die j-te Probe in dem Übergangsfenster ist und ΔV_i = V max / i – V min / i der Bereich von Spannungen der i-ten Probe ist.
Die Standardabweichung σ T / R der Spannungsbereiche der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 ist ein Maß dafür, um wie viel sich der Bereich über eine definierte Periode ändert. Wenn einige Zellen Stiftlöcher besitzen, weisen sie größere Schwankungen in Spannungen bei Leistungsübergängen auf und sehen daher eine Zunahme der Standardabweichung σ T / R vor.
3 ist ein Schaubild mit der Zeit an der horizontalen Achse, der Leckrate an der linken vertikalen Achse und der Standardabweichung σ T / R an der rechten vertikalen Achse, das die Beziehung zwischen der Leckrate und der Standardabweichung zeigt, wobei die Diagrammlinie 70 die Leckrate angibt und die Diagrammlinie 72 die Standardabweichung angibt. Die Leckrate nimmt zu, wenn die Fläche der Stiftlöcher zunimmt, unabhängig davon, ob dies durch die Größe der Stiftlöcher oder die Anzahl der Stiftlöcher bewirkt wird. Wenn die Leckrate über die Lebensdauer des Stapels 12 steigt, nimmt auch die Standardabweichung σ T / R zu.
Bei einer Ausführungsform berechnet der Controller 48 die Standardabweichung σ T / R , wenn der Brennstoffzellenstapel 12 eine Anzahl von Leistungsübergängen oder -änderungen, wie beim Stopp-und-Go-Verkehr, über ein vorbestimmtes Fenster, beispielsweise 5 Minuten, aufweist. Es wird angestrebt, die Standardabweichung σ T / R während Übergangsfenstern und nicht während des stabilen Betriebs zu berechnen, und zwar aufgrund des Druckabfalls über die MEAs wie auch des Membranbefeuchtungszyklus während der Stapelleistungsübergänge.
Typischerweise wird der Anodendruck geringfügig höher als der Kathodendruck gehalten, so dass während des Ablassens des Anodenabgases das Kathodenabgas nicht in die Anodenabgasablassleitung 28 eintritt. Bei einigen Stapelkonstruktionen ist der Druckabfall zwischen dem Anodeneingang und dem Anodenausgang im Vergleich zu dem Druckabfall zwischen dem Kathodeneingang und dem Kathodenausgang relativ klein, der linear zunimmt, wenn das Leistungsniveau zunimmt. Somit ist der Kathodeneinlassdruck bei höheren Lasten größer. Ferner können Fälle auftreten, bei denen der Kathodendruck bei Leistungsübergängen infolge von Druckschwankungen höher ist. Somit nimmt der Kathodeneinlass bei Stapelleistungsübergängen höhere Drücke auf, als der Anodeneinlass. Daher können die Brennstoffzellen, die Stiftlöcher besitzen, Schwankungen in der Spannung aufgrund der sich in die Anode bewegenden Luft und somit einer Erhöhung der Standardabweichung σ T / R ausgesetzt sein. Ferner bewirkt der Wechsel der relativen Feuchte (RF), dass die Membrane bei Übergängen schrumpfen und anschwellen. Auch haben Tests gezeigt, dass eine Leckratendiagnose wesentlich höhere Leckraten vorsieht, wenn sich der Stapel bei einer RF von 80% im Gegensatz zu einer RF von 110% befindet.
Sobald der Steueralgorithmus die Leckrate von Anode zu Kathode hat, kann er die Menge an Stickstoff berechnen, die von der Anodenseite zu der Kathodenseite strömt. Insbesondere ist die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite zu der Kathodenseite strömt, eine Funktion der Leckrate mal der Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite mal einem Proportionalfaktor. Somit kann ein Algorithmus vorgesehen werden, der die Strömung von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels bei Stapelleistungsübergängen kontinuierlich aktualisiert, die zunimmt, wenn der Stapel altert. Der Fachmann kann leicht erkennen, wie die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite zu der Kathodenseite strömt, verwendet werden muss, um das Modell zu modifizieren, das die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite bestimmt, um zu bestimmen, wann das Ablassen des Anodenabgases ausgeführt werden soll. Dem Fachmann sind verschiedene Modelle bekannt, um diese Funktion auszuführen.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren, um zu bestimmen, wann ein Anodenabgas von einem Brennstoffzellenstapel abgelassen werden soll, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Menge an Stickstoff, die von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt wird; die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt wird; die Konzentration von Stickstoff oder die Konzentration von Wasserstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der Stickstoffströmung zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird; und das Anodenabgas abgelassen wird, wenn die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels über einen vorbestimmten Wert hinaus geht, wobei das Bestimmen der Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, umfasst, dass eine Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite bestimmt wird, indem eine Standardabweichung von Spannungsausgängen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt wird und die Standardabweichung als ein Modell zur Bestimmung der Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Standardabweichung der Spannungsausgänge der Brennstoffzellen umfasst, dass die Standardabweichung der Spannungsausgänge der Brennstoffzellen für eine vorbestimmte Zeitdauer nur bei Leistungsübergängen des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, umfasst, dass die Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite mal der Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite mal einem Proportionalfaktor multipliziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömung von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zunimmt, wenn der Stapel altert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strömung von Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels ein Ergebnis von Stiftlöchern in einer Membran in Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass das abgelassene Anodenabgas mit einem Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel gemischt wird.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel; einer Kathodenabgasleitung, die ein Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel ausgibt; einer Anodenabgasleitung, die ein Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel ausgibt; einem Ablassventil, das mit der Anodenabgasleitung zum Ablassen des Anodenabgases gekoppelt ist; einer Anodenablassleitung, die mit dem Ablassventil gekoppelt ist und das Anodenabgas aufnimmt, wenn das Ablassventil geöffnet ist; und einem Controller, um zu bestimmen, wann das Ablassventil geöffnet und das Anodenabgas von der Anodenabgasleitung abgelassen werden soll, wobei der Controller die Menge an Stickstoff, die von einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt, die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt, die Konzentration von Stickstoff oder Wasserstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels auf Grundlage der Stickstoffströmung zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Brennstoffzellenstapels bestimmt, und das Anodenabgas ablässt, wenn die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels über einen vorbestimmten Wert hinaus geht, wobei der Controller die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt, indem eine Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite durch Bestimmung einer Standardabweichung von Spannungsausgängen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel und Verwendung der Standardabweichung als ein Modell zur Bestimmung der Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller die Menge an Stickstoff, die von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt, bestimmt, indem die Leckrate von Stickstoff von der Anodenseite zu der Kathodenseite mal der Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite mal einem Proportionalfaktor multipliziert wird.
System nach Anspruch 7, wobei der Controller die Standardabweichung der Spannungsausgänge der Brennstoffzellen nur während Leistungsübergängen des Brennstoffzellenstapels bestimmt.
System nach Anspruch 7, wobei die Anodenablassleitung mit der Kathodenabgasleitung gekoppelt ist, so dass das abgelassene Anodenabgas mit dem Kathodenabgas gemischt wird.
System nach Anspruch 7, wobei die Strömung von Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zunimmt, wenn der Stapel altert, und zwar aufgrund der Entwicklung von Stiftlöchern in Membranen in den Brennstoffzellen des Stapels.
System nach Anspruch 7, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.