DE102011108101B4

DE102011108101B4 - Diagnose und Beseitigung eines geringen Anodenwasserstoffpartialdruckes in einem PEM-Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102011108101B4
Application number: DE102011108101.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel I. Harris; Matthew A. Lang; Daniel C. Di Fiore
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: CN102347499A; DE102011108101A1; US8673515B2; CN102347499B; US20120028152A1

Abstract

Verfahren zum Verhindern eines Betriebs eines Brennstoffzellenstapels (12) in einem Brennstoffzellensystem (10) mit einer unzureichenden Menge an Anodenreaktand, wobei das Verfahren umfasst:
Bestimmen einer minimalen Zellenspannung von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12), einer durchschnittlichen Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel (12) und einer Stromdichte des Brennstoffzellenstapels (12);
Bestimmen eines Anodendrucks eines Anodensubsystems in dem Brennstoffzellensystem (10);
Schätzen eines Wasserstoffmolanteils und/oder eines Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem;
Bestimmen, ob eine Abnahme der minimalen Zellenspannung relativ zu der durchschnittlichen Zellenspannung und Stromdichte in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks in dem Anodensubsystem vorhanden ist; und
Korrigieren der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks durch Erhöhen des Anodendrucks und/oder durch Verringern des Molanteils von Stickstoff in dem Anodensubsystem.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zur Bestimmung und Korrektur eines geringen Anodenwasserstoffpartialdruckes in einem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein System und Verfahren zum Verhindern einer Anodenverarmung durch Korrelation von Änderungen der minimalen Zellenspannung mit Änderungen des Anodendruck und/oder des Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er erneuerbar 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 Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt 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 gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen einen populären Brennstoffzellentyp 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 geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs erfordern eine angemessene Brennstofflieferung und Befeuchtung für einen effektiven Betrieb.
In der Regel werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. 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 Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Ein Brennstoffzellenstapel weist in der Regel eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anödengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten 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 bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die MEAs sind permeabel bzw. durchlässig, wobei Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite zu der Anodenseite des Stapels hindurchdringt und sich dort sammelt, was in der Industrie als Stickstoffübertritt bezeichnet wird. Sogar obwohl der anodenseitige Druck geringfügig höher als der kathodenseitige Druck sein kann, bewirken die kathodenseitigen Partialdrücke, dass Luft durch die Membran hindurchdringt. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff derart, dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz, wie 50 %, ansteigt, die Brennstoffzellen in dem Stapel an Wasserstoff verarmen. Wenn die Anode an Wasserstoff verarmt, ist der Brennstoffzellenstapel nicht mehr in der Lage, angemessen elektrische Leistung zu erzeugen und kann einen Schaden an den Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel erleiden.
Es ist in der Technik bekannt, ein Ablassventil an dem Anodenabgasausgang des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen. In der Technik ist es auch bekannt, den Molanteil von Stickstoff in der Anodenseite unter Verwendung eines Modells zu schätzen, um zu bestimmen, wann das Ablassen der Anodenseite oder des Anodensubsystems auszuführen ist. Jedoch kann die Modellschätzung insbesondere während des Betriebs kurz nach Inbetriebnahme Fehler enthalten. Zusätzlich können Komponentenstörungen und eine Schädigung der Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie der Brennstoffzellenmembran, ebenfalls Fehler in der Modellschätzung bewirken. Wenn die Schätzung des Stickstoffmolanteils der Anode signifikant höher als der tatsächliche Stickstoffmolanteil ist, entlüftet das Brennstoffzellensystem mehr Anodengas, als notwendig ist, d.h. verschwendet Brennstoff. Wenn die Schätzung des Stickstoffmolanteils der Anode signifikant geringer als der tatsächliche Stickstoffmolanteil ist, entlüftet das System nicht ausreichend Anodengas und kann eine Reaktandenverarmung an den Brennstoffzellen bewirken, was die Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel schädigen kann.
Die DE 10 2007 059 998 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit zwei Brennstoffzellenstapeln für ein Fahrzeug, bei dem Brennstoff in einen Anodenströmungspfad so eingeführt wird, dass er durch einen ersten und zweiten Brennstoffzellenstapel in einer erste Richtung strömt. Dann wird Sauerstoff in den Kathodenströmungspfad eingeleitet. Dann wird die Brennstoffströmung durch den Anodenströmungspfad derart umgekehrt, dass sie durch die Brennstoffzellenstapel in einer zweiten Richtung strömt. Dabei wird eine mit dem Betrieb des Brennstoffzellensystems verbundene Spannungsdifferenz erfasst, wobei die gemessene Spannungsdifferenz mit der Brennstoffkonzentration im Anodenströmungspfad korreliert. Ein Entlüftungsventil ist so betätigbar, dass ein Teil des im Anodenströmungspfad vorhandenen Fluids entweichen kann, wenn der Schwellenwert der Spannungsdifferenz basierend auf der Korrelation erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und Verfahren zu schaffen, mit denen es möglich ist, eine Anodenreaktandenverarmung zu detektieren und zu korrigieren, bevor die Verarmung eine signifikante Schädigung der Brennstoffzellenelektroden bewirkt.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und Verfahren offenbart, um zu verhindern, dass ein Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem mit einer unzureichenden Menge an Anodenreaktand arbeitet. Das System weist eine Wasserstoffquelle zur Bereitstellung von Wasserstoff für den Stapel, ein Anodenablassventil und eine Zellenspannungsüberwachungseinrichtung auf. Das System weist auch einen Anodensubsystemdrucksensor und einen Controller auf, der zur Steuerung des Anodensubsystems konfiguriert ist. Der Controller bestimmt die durchschnittliche Zellenspannung der Zellen in dem Stapel und schätzt den Wasserstoffmolanteil und/oder Stickstoffmolanteil in dem Anodensubsystem. Der Controller empfängt auch Messdaten von der Zellenspannungsüberwachungseinrichtung und dem Drucksensor und bestimmt in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks, ob eine Abnahme der minimalen Zellenspannung besteht. Wenn der Controller eine Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen in dem Anodendruck detektiert, korrigiert der Controller die Abnahme durch Erhöhung des Anodendrucks und/oder durch Verringerung des Molanteils von Stickstoff in dem Anodensubsystem.

1 ist ein vereinfachtes Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems;
2 ist ein Diagramm mit der Zeit an der x-Achse, der Zellenspannung an der linken y-Achse und dem Anodenabsolutdruck an der rechten y-Achse, das zeigt, wie Änderungen des Drucks die minimale Zellenspannung beeinflussen;
3 ist ein Diagramm mit der Druckänderung an der x-Achse und der Anzahl von Ereignissen an der y-Achse, das die Häufigkeit von Druckänderungen zeigt, die mit Ereignissen minimaler Zellenspannung korrelieren; und
4 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Detektion einer Anodenverarmung.

Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung ist auf ein System und Verfahren zum Verhindern einer Anodenverarmung durch Korrelation einer minimalen Zellenspannung mit Änderungen des Anodendrucks und/oder Änderungen des Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems gerichtet.
1 ist ein vereinfachtes Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 ist dazu bestimmt, jeglichen Typ von Brennstoffzellensystem allgemein zu repräsentieren, der ein Ablassen von Anodenabgas zur Entfernung von Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 erfordert. Beispiele derartiger Brennstoffzellensysteme umfassen Brennstoffzellensysteme, die Anodenabgas zurück zu dem Anodeneinlass rezirkulieren, und Brennstoffzellensysteme, die eine geteilte Stapelkonstruktion mit einem Anodenströmungswechsel verwenden, wobei beide hier als ein „Anodensubsystem“ bezeichnet sind. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 wird an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf der Leitung 18 geliefert. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf der Leitung 20 ausgegeben und an ein Ablassventil 26 geliefert. Wenn das Ablassventil 26 offen ist, strömt das abgelassene Anodenabgas durch eine Ablassleitung 28. Ein Drucksensor 40 ist ebenfalls in der Leitung 20 vorgesehen, um den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems 10 zu messen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Drucksensor 40 in der Leitung 18 positioniert sein, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Luft von einem Kompressor 30 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf Leitung 32 geliefert. Ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 34 ausgegeben. Eine Mischvorrichtung 38 ist in der Leitung 34 zum Mischen des Kathodenabgases und des abgelassenen Anodenabgases an der Leitung 28 vorgesehen.
Das System 10 weist auch eine Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 42 auf, die die durchschnittliche Zellenspannung, Stromdichte und minimale Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 auf eine Art und Weise überwacht, die dem Fachmann bekannt ist.
Ein Controller 36 überwacht den Druck des Anodensubsystems des Brennstoffzellensystems 10, wie durch den Drucksensor 40 gemessen wird, steuert die Drehzahl des Kompressors 30, steuert die Injektion von Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 14 in die Anodenseite des Stapels 12 und steuert die Position des Anodenablassventils 26, wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Der Controller 36 berechnet auch eine durchschnittliche Zellenspannung von der Zellenspannungsüberwachungseinrichtung 42, bestimmt die minimale Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 und berechnet die Stromdichte des Stapels 12.
Wie oben diskutiert ist, verdünnt ein Stickstoffübertritt von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 den Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels, wodurch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt wird. Daher ist es notwendig, das Anodenabgas von dem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems 10 periodisch abzulassen, um die Stickstoffmenge in dem Anodensubsystem, d.h. der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12, zu reduzieren.
Auch verwendet, wie oben diskutiert ist, ein typisches Brennstoffzellensystem ein Stickstoffschätzungsmodell, um zu bestimmen, wann Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 abzulassen ist.
Aufgrund schneller Anodenkinetik können, wenn eine Anodenverarmung stattfindet, kleine Änderungen des Anodendrucks die niedrigste oder minimale Zellenspannung, die in dem Brennstoffzellenstapel 12 gemessen wird, stark beeinträchtigen. 2 ist ein Diagramm mit der Zeit in Sekunden an der x-Achse und der Zellenspannung in mV an der linken y-Achse und dem Anodenabsolutdruck in kPaA an der rechten y-Achse. Die Linie 50 stellt die durchschnittliche Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 dar, die Linie 52 stellt die gemessene minimale Zellenspannung dar und die Linie 54 ist die Oszillation des Anodendrucks während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10. 2 zeigt, dass die durchschnittliche Zellenspannung nicht durch die Änderungen des Anodendrucks beeinträchtigt wird, da die Anodenverarmung an einem kleinen Anteil der Zellen in dem Stapel 12 lokal ist. Jedoch korreliert die minimale Zellenspannung eng mit den Druckpulsierungen oder Druckänderungen in dem Anodensubsystem des Systems 10, was angibt, dass Druckänderungen dazu verwendet werden können, Anodenverarmungsereignisse zu detektieren und zu verhindern.
3 ist ein Diagramm mit der Druckänderung in kPa an der x-Achse und der Anzahl von Ereignissen an der y-Achse. 3 zeigt die Häufigkeit von Druckänderungen des Anodensubsystems in den 0,5 Sekunden, bevor die minimale Zellenspannung 200 mV unter die durchschnittliche Zellenspannung fällt. Bei einer Analyse wurden 515 Datenproben in 110 Datendateien bewertet, wenn die minimale Zellenspannung um mehr als 200 mV unter Durchschnitt gefallen ist. Die Resultate, wie in 3 gezeigt ist, zeigen, dass etwa 80 % der Ereignisse minimaler Zellenspannung einem Abfall des Anodendrucks von größer als 3 kPa in den 500 Millisekunden vor dem Ereignis minimaler Zellenspannung entsprachen. Somit zeigen die Daten, dass ein Korrelieren der minimalen Zellenspannung und der Änderungen des Anodendrucks dazu verwendet werden können, eine Anodenverarmung vorherzusagen, wodurch ein Weg bereitgestellt wird, eine Schädigung der Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 durch Anodenverarmung zu verhindern.
4 ist ein Flussdiagramm 60 eines in dem Controller 36 arbeitenden Algorithmus zur Detektion einer Anodenverarmung. Bei Kasten 62 bestimmt der Algorithmus die minimale Zellenspannung, die durchschnittliche Zellenspannung, den Anodendruck und den Stapelstrom und bestimmt auch den geschätzten Molanteil von Stickstoff und/oder Wasserstoff in dem Anodensubsystem. Anschließend bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 64, ob eine Abnahme der minimalen Zellenspannung relativ zu Änderungen des Wasserstoffpartialdruckes, d.h. einer minimalen Zellenspannung vorhanden ist, die etwa 200 mV geringer als die durchschnittliche Zellenspannung für eine gegebene Stromdichte ist, in Ansprechen auf Änderungen des Drucks des Anodensubsystems oder Änderungen der Wasserstoffkonzentration in der Anodenseite des Stapels 12. Wenn keine Abnahme der minimalen Zellenspannung vorhanden ist, fährt der Algorithmus bei Kasten 62 mit der Überwachung der minimalen Zellenspannung, des Anodendrucks, des Stapelstroms und der Stromdichte fort und fährt auch mit der Bestimmung des geschätzten Molanteils von Stickstoff und/oder Wasserstoff fort.
Wenn an der Entscheidungsraute 64 eine Abnahme der minimalen Zellenspannung, die mit Änderungen des Wasserstoffpartialdruckes korreliert ist, vorhanden ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 66, ob eine Anodenverarmung häufig stattgefunden hat, beispielsweise vier oder mehr Ereignisse während 30 Minuten des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10. Wenn eine wiederholte Anodenverarmung detektiert oder angenommen werden kann, wird eine dauerhafte Änderung der Steuerbetriebsbedingungen unternommen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Wenn dies nicht der Fall ist, ändert der Algorithmus bei Kasten 68 temporär die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 10, um eine Schädigung von Komponenten des Systems 10 durch die Anodenverarmung zu verhindern. Beispielsweise kann der Algorithmus bewirken, dass der Controller 36 den Druck in dem Anodensubsystem des Brennstoffzellensystems 10 auflädt. Genauer kann der Controller 36 den Druck in dem Anodensubsystem um etwa 15 kPa durch Bereitstellung von zusätzlichem Wasserstoff für das Anodensubsystem aufladen. Durch Erhöhung des Drucks in dem Anodensubsystem ist der Partialdruck von Wasserstoff in dem Stapel 12 ebenfalls erhöht. Somit sollte der Stapel 12 toleranter gegenüber Stickstoffmolanteilen sein, die höher als vorhergesagt sind. Wenn die minimale Zellenspannung um mehr als einen erwarteten Wert für die vorliegende Stromdichte nach Empfang der Druckaufladung ansteigt, kann eine Anodenverarmung angenommen werden.
Die Zunahme des Drucks für jede Aufladung kann von der gemessenen minimalen Zellenspannung in Beziehung zu der durchschnittlichen Zellenspannung und der Stapelstromdichte abhängen und kann auch von Stapelcharakteristiken abhängen, wie der Stapelkonstruktion sowie der Anzahl von Brennstoffzellen in dem Stapel 12. Jedoch kann die Druckzunahme beschränkt sein. Beispielsweise kann die Druckzunahme auf eine Zunahme von 10 bis 20 % von Nennniveaus beschränkt sein, um sicherzustellen, dass Wasserstoffemissionen ein vorbestimmtes Schwellenniveau nicht überschreiten.
Alternativ dazu kann, wenn anstelle einer Aufladung des Drucks eine Abnahme der minimalen Zellenspannung an der Entscheidungsraute 64 vorhanden ist, der Algorithmus bewirken, dass der Controller 36 das Anodensubsystem so lange ablässt, bis eine höhere Wasserstoffkonzentration in dem Anodensubsystem erreicht ist. Beispielsweise kann das Modell für Stickstoffmolanteil der Anode auf einen Wert von 100 % Stickstoff in dem Anodensubsystem rückgesetzt werden. Mit anderen Worten wird die konservativste Schätzung des Anodenstickstoffmolanteils für die Modellinitialisierung verwendet. Wenn zum Beispiel der Sollwert für den Stickstoffmolanteil 40 % beträgt, öffnet der Controller 36 das Ablassventil 26 für eine ausreichend lange Zeitperiode, um 100 % Stickstoff abzulassen und die Anode zu füllen, bis die Anodenkonzentration auf einen Stickstoffmolanteil von 40 % modelliert ist. In allen praktischen Fällen ist, nachdem das Stickstoffmolanteilmodell rückgesetzt ist, der echte Stickstoffmolanteil für eine signifikante Zeitdauer wesentlich geringer als der modellierte Wert für Stickstoff. Nach dem Ablassen der Anode, wie oben diskutiert ist, kann, wenn die minimale Zellenspannung um mehr als einen erwarteten Wert für die vorliegende Stromdichte und Wasserstoffkonzentration zunimmt, eine Anodenverarmung angenommen werden.
Jedes Mal, wenn die minimale Zellenspannung des Stapels 12 unter eine gewisse vorbestimmte durchschnittliche Zellenspannung fällt, unternimmt der Algorithmus eine Aktion, um eine Schädigung von Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 durch Anodenverarmung zu verhindern, wie den Elektroden. Die unternommene Aktion, wie oben diskutiert ist, kann eine Aufladung des Drucks, eine Änderung des Modells für Stickstoffmolanteil oder eine Kombination daraus sein.
Sobald der Algorithmus bei Kasten 68 bewirkt hat, dass der Controller 36 die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 10 temporär ändert, kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 62 zurück, und der Algorithmus setzt eine Überwachung der minimalen Zellenspannung, des Anodendrucks, der Stapelspannung und der Stromdichte fort und bestimmt auch den geschätzten Molanteil von Stickstoff und/oder Wasserstoff in dem Anodensubsystem.
Wenn der Algorithmus an der Entscheidungsraute 66 bestimmt, dass die Anodenverarmung häufig detektiert worden ist, beispielsweise vier oder mehr Anodenverarmungsereignisse während 30 Minuten des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10, dann kann der Algorithmus bei Kasten 70 Anodenbetriebssollwerte ändern, um chronischere Probleme mit der Anodenstickstoffsteuerung zu berücksichtigen, d.h. sich wiederholende Anodenverarmung. Durch Änderung der Betriebssollwerte des Anodensubsystems können zukünftige Störungen aufgrund von Anodenverarmung und/oder übermäßigem Stickstoff in dem Anodensubsystem verhindert werden. Beispielsweise können die Sollwerte des Stickstoffmolanteils für die Anodenablasssteuerung durch den Algorithmus verringert werden. Eine Verringerung der Sollwerte des Stickstoffmolanteils erhöht den Wasserstoffpartialdruck in der Anode durch häufigeres Ablassen von Gas aus dem Anodenvolumen in dem Anodensubsystem.
Alternativ oder zusätzlich zur Änderung der Sollwerte des Stickstoffmolanteils kann der Algorithmus die Sollwerte zur Steuerung des Anodendrucks erhöhen. Eine Erhöhung der Anodendrucksollwerte erhöht dauerhaft den Partialdruck von Wasserstoff in der Anode, wenn der Stickstoffmolanteil konstant bleibt. Wie oben diskutiert ist, sollten die höheren Wasserstoffpartialdrücke den Einfluss von Stickstoffmolanteilen, die höher als vorhergesagt sind, in der Anode reduzieren. Jedoch können Änderungen der Betriebssollwerte, wie oben diskutiert ist, so beschränkt sein, dass die Zunahme des verwendeten Wasserstoffs beschränkt ist. Beispielsweise kann der Betrag der Erhöhung des Wasserstoffverbrauchs auf 10 bis 20 % beschränkt sein, um die Wasserstoffmenge, die von dem Brennstoffzellensystem 10 ausgestoßen wird, zu beschränken. Ferner können adaptive Änderungen, die durch den Algorithmus in den Betriebssollwerten des Brennstoffzellensystems 10 durchgeführt werden, wie oben diskutiert ist, durch Kalibrieren des Brennstoffzellensystems 10 rückgesetzt werden. Beispielsweise können die Betriebssollwerte während eines Wartungsereignisses des Systems 10 oder eines Fahrzeugs, in dem das System 10 angeordnet ist, rückgesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Verhindern eines Betriebs eines Brennstoffzellenstapels (12) in einem Brennstoffzellensystem (10) mit einer unzureichenden Menge an Anodenreaktand, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer minimalen Zellenspannung von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel (12), einer durchschnittlichen Zellenspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel (12) und einer Stromdichte des Brennstoffzellenstapels (12); Bestimmen eines Anodendrucks eines Anodensubsystems in dem Brennstoffzellensystem (10); Schätzen eines Wasserstoffmolanteils und/oder eines Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem; Bestimmen, ob eine Abnahme der minimalen Zellenspannung relativ zu der durchschnittlichen Zellenspannung und Stromdichte in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks in dem Anodensubsystem vorhanden ist; und Korrigieren der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks durch Erhöhen des Anodendrucks und/oder durch Verringern des Molanteils von Stickstoff in dem Anodensubsystem.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Korrigieren der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks eine Verringerung der minimalen Zellenspannung aufweist, die etwa 200 mV geringer als die durchschnittliche Zellenspannung für die Stromdichte des Stapels ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Korrigieren der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks eine Änderung des Anodendrucks von 2 kPa oder mehr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Korrigieren der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks durch Aufladung des Anodendrucks ein Erhöhen des Anodendrucks um 15 kPa aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Korrigieren der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks eine Verringerung des Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem durch Ablassen des Anodensubsystems aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Bestimmen einer Anzahl von Ereignissen zur Korrektur der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks während einer vorbestimmten Betriebszeit des Brennstoffzellensystems (10).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bestimmen, ob die Anzahl von Ereignissen zur Korrektur der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks während der vorbestimmten Betriebszeit eine vorbestimmte Schwelle erreicht.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit einer Änderung von Anodenbetriebssollwerten des Brennstoffzellensystems (10), wenn die Anzahl von Ereignissen zur Korrektur der Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks die vorbestimmte Schwelle erreicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Ändern der Anodenbetriebssollwerte des Brennstoffzellensystems (10) eine Erhöhung des Sollwerts des Anodensubsystemdrucks und/oder eine Verringerung des Sollwerts des Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem aufweist.
System zum Verhindern eines Betriebs eines Brennstoffzellenstapels (12) in einem Brennstoffzellensystem (10) mit einer unzureichenden Menge an Anodenreaktand, wobei das System umfasst: eine Wasserstoffquelle (14) zur Lieferung von Wasserstoff an den Brennstoffzellenstapel (12); ein Anodenablassventil (26) zum Ablassen eines Anodenabgases, das Stickstoff aufweist, von einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12); eine Zellenspannungsüberwachungsvorrichtung (42) zur Überwachung einer minimalen Zellenspannung, einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer Stapelstromdichte; einen Sensor (40) für Anodensubsystemdruck zum Messen des Drucks in dem Anodensubsystem; und einen Controller (36), der zur Steuerung des Anodensubsystems konfiguriert ist, wobei der Controller (36) den Wasserstoffmolanteil und/oder Stickstoffmolanteil in dem Anodensubsystem schätzt, eine durchschnittliche Zellenspannung und Stromdichte bestimmt und in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks oder der Wasserstoffkonzentration bestimmt, ob eine Abnahme der minimalen Zellenspannung vorhanden ist, wobei der Controller (36) die Abnahme der minimalen Zellenspannung in Ansprechen auf Änderungen des Anodendrucks oder der Wasserstoffkonzentration durch Bereitstellung von zusätzlichem Wasserstoff von der Wasserstoffquelle (14), um den Anodendruck zu erhöhen, und/oder durch Verringerung des Stickstoffmolanteils in dem Anodensubsystem durch Öffnen des Ablassventils (26), um Stickstoff von dem Stapel abzulassen, korrigiert.