DE10044407B4

DE10044407B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs mit Anoden-Passage

Info

Publication number: DE10044407B4
Application number: DE10044407.5A
Authority: DE
Inventors: Brian David James; George Steve Saloka
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2015-05-28
Anticipated expiration: 2020-09-09
Also published as: DE10044407A1; GB2355578B; GB0024429D0; GB2355578A; US6406805B1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs mit Anoden-Passage, mit den Schritten:
– Sammeln von aus der Anoden-Passage ausgespültem Wasserstoff,
– Leiten des Wasserstoffs zu einer Ventilvorrichtung; und
– Einstellen der Ventile, um den Wasserstoff zum Wasserstoffspeichermedium zu leiten;
– Austreiben von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichermedium, damit es weiteren Wasserstoff speichern kann, und
– Überwachung der Umgebungsbedingungen in der Umgebung der Brennstoffzelle, um zu bestimmen, ob Wasserstoff zum Wasserstoffspeichermedium geleitet werden muß,
wobei im Überwachungs-Schritt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, das die Brennstoffzelle enthält, gemessen und das Wasserstoff-Ausspülen durchgeführt wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Sie bezieht sich also auf den Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs und Speichern von ausgespültem Wasserstoff in einer Wasserstofffalle. Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs, bei dem ausgespülter Wasserstoff beim Parken oder niedriger Geschwindigkeit in einer Wasserstoffzelle gespeichert und bei höheren Geschwindigkeiten abgelassen wird.
Brennstoffzellen sind als potentielle Energiequellen für Fahrzeuge bekannt. Brennstoffzellen arbeiten durch Konvertierung von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität. Der Wasserstoff kann aus einem Wasserstoffbehälter stammen oder durch einen Reformer im Fahrzeug erzeugt werden.
Wasserstoff wird immer unter Druck auf der Anodenseite der Brennstoffzelle eingesetzt und nach Last verbraucht, so dass die für die Brennstoffzelle erforderliche elektrische Ladung erreicht wird. Mit der Zeit akkumulieren inerte Gase (Stickstoff, Argon usw.) und Wasser in den Anodenleitungen in einem solchen Ausmaß, dass dies eine Verringerung der Brennstoffzellenleistung verursacht. Periodische Reinigung von diesen inerten Gasen und Wasser regeneriert die Brennstoffzellen-leistung und wird durch Entlüften der Anodenseite, um die inerten Gase und Wasser herauszudrücken, durchgeführt. Demzufolge wird auch ein Teil des Wasserstoffs im Reinigungszyklus ausgetrieben.
Wenn die Brennstoffzellenanode nicht periodisch von inerten Gasen und Wasser gereinigt wird, wird die Effizienz der Brennstoffzelle stark reduziert. Der ausgespülte Wasserstoff wird normalerweise entweder durch Drücken von Wasserstoff durch die Anode oder durch Entfernen des Wasserstoffs durch den Elektrolyten verdrängt. US 5,156,925 A , erteilt am 20. Oktober 1992, offenbart ein Verfahren zum Austreiben von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle durch flüssigen Elektrolyt. Der Elektrolyt löst das Wasserstoffgas und fördert das Wasserstoffgas zu einem Elektrolytspeichertank. Der Elektrolytspeichertank enthält Luft. Die Luft bewirkt, dass der Wasserstoff aus dem Elektrolyten entgast und in die Atmosphäre freigesetzt wird. Ein Filter verhindert, dass der Elektrolyt mit ausgespültem Wasserstoff beladen wird. US 5,156,925 A sieht keine Steuerung des Entgasens oder Entlüften des Wasserstoffs vor. Wasserstoff kann frei aus dem Elektrolytspeicherbehälter entweichen und in die Atmosphäre entlüften. Dies kann dazu führen, dass Wasserstoff aus der Brennstoffzelle freigesetzt wird während sich das Fahrzeug in einem geschlossenen Raum befindet.
Andere Patente behandeln ebenso ausgespülten Wasserstoff aus einer Brennstoffzelle. US 5,429,885 A , erteilt am 04 Juli 1995, offenbart ein Verfahren zum Kombinieren von ausgespültem Wasserstoff mit Sauerstoff, um Wasser zu bilden. Die Erfindung war für die Verwendung in einem Unterwasserfahrzeug, in dem das Wasserstoffgas nicht in die Atmosphäre entlassen werden kann, ausgelegt. US 5,429,885 A offenbart die Verwendung eines katalytischen Rekombinierers, um Wasserstoff und Sauerstoff so zu kombinieren, dass ein Überschuß an Wasserstoff nicht ins Fahrzeug entgast.
US 5,763,113 A , erteilt am 09 Juni 1998, offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Brennstoffzelle zur Steuerung der Entlüftung von ausgespültem Wasserstoff. US 5,763,113 A beschreibt, wie Wasserstoffanreicherung, Wasser und inerte Gase die Effektivität der Brennstoffzelle herabsetzen. Die Gase und Wasser müssen periodisch entfernt werden, um ein Optimum an Effizienz der Brennstoffzelle zu erhalten. Der Wasserstoff, andere Gase und Wasser werden periodisch aus der Brennstoffzelle unter Verwendung einer Steuerung, die die Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels überwacht und mit bekannten Werten vergleicht, abgeführt. Wenn die Effizienz der Brennstoffzelle abnimmt, wird das System von Wasserstoff, anderen Gasen und Wasser gereinigt. US 5,763,113 A befaßt sich nicht mit der unerwünschtem Anreicherung von Wasserstoff, der aus dem beschriebenen Reinigungsprozeß resultiert. Die Bedingungen, die zur Wasserstoffanreicherung führen, können auftreten, wenn das Fahrzeug, das die Brennstoffzelle enthält, sich in einem geschlossenen Raum befindet.
Die Erfindung nimmt ein Problem vorweg, das in den oben beschriebenen Dokumenten nicht vorhersehbar war. Die Erfindung nimmt die Entlüftung von Wasserstoffgas, während das Fahrzeug sich in einem geschlossenen Raum befindet, vorweg. Um die Effizienz der Brennstoffzelle zu erhalten, wird der Wasserstoff aus der Anoden-Passage entfernt, aber nicht sofort in die Atmosphäre abgelassen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst.
Die Erfindung befasst sich also mit einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Anoden-Passage. Es beinhaltet das Sammeln von Wasserstoff, der nicht durch die Katalysatormembran hindurchtritt, aus der Anoden-Passage. Der Wasserstoff wird mit Wasser und inerten Gasen in einen Wasserstoffspeicherbehälter geleitet. Der Wasserstoffspeicherbehälter beinhaltet ein Wasserstoffspeichermedium, wie z. B. Metallhydrid, Kohlenstoffadsorbens oder Kohlenstoff-Nanofasern.
Ein Sensor bestimmt, ob das Fahrzeug in Bewegung ist oder nicht. Wenn das Fahrzeug steht oder sich langsam bewegt, wird der überschüssige Wasserstoff zum vorübergehenden Speichern in den Wasserstoffspeicherbehälter geleitet. Wenn der Sensor feststellt, dass das Fahrzeug sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, wird der überschüssige Wasserstoff in die Atmosphäre abgelassen und das Wasserstoffspeichermedium regeneriert.
Elektrisch gesteuerte Ventile leiten den ausgespülten Wasserstoff und regenerieren das Wasserstoffspeichermedium. Die Ventile werden durch eine elektronische Steuerung, die die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Wasserstoffanreicherung im Speichermedium überwachen, gesteuert.
Diese und andere Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Ansprüchen, wobei die Erfindung zum besseren Verständnis nachfolgend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen illustrative Ausführungsformen gezeigt sind, erläutert wird. Darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffspeicherbehälter; und
2 ein Flußdiagramm des Betriebs eines erfindungsgemäßen Wasserstoffspeicherbehälters.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Fahrzeugs erläutert und beschrieben, das eine Brennstoffzelle an Bord hat, die überschüssigen Wasserstoff emittiert. Sie eignet sich für jede Situation, in der unerwünschter überschüssiger Wasserstoff gesammelt und gespeichert wird, bis die Umgebungsbedingungen seine Entlüftung erlauben.
Die Erfindung soll mit einer Brennstoffzelle oder anderen Vorrichtungen, die überschüssigen Wasserstoff während der Betriebsperioden emittieren, der nicht in die Atmosphäre abgelassen werden soll, verwendet werden. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle 10 kann jede beliebige Brennstoffzelle sein, die Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umwandelt, i. e. z. B. Protonenaustausch-, Alkali- oder Brennstoffzellen mit festen Oxiden. Die Brennstoffzelle 10 erhält durch den Wasserstoffeingang 12 einen Strom relativ reinen Wasserstoffs und durch den Lufteingang 14 Sauerstoff. Der Wasserstoff kann in einem Fahrzeug in einen Wasserstofftank gespeichert oder alternativ aus anderen Materialien, wie z. B Treibstoff oder Methanol unter Verwendung eines Reformers, erzeugt werden. Der Sauerstoff wird aus der Atmosphäre erhalten. Der Wasserstoff wird zu einer Anoden-Passage 16 geleitet, während der Sauerstoff zu einer Kathoden-Passage 18 geleitet wird. Eine Katalysatoroberfläche 20 konvertiert den molekularen Wasserstoff in Wasserstoffatome, die ein Elektron und ein Proton aufweisen. Des Wasserstoffelektron wird Teil des elektrischen Kreises; das verbleibende Proton tritt durch eine Membran oder Separator 22. Das Proton reagiert mit dem Sauerstoff in der Kathoden-Passage zu Wasser.
Wasser, das aus externem feuchtem Wasserstoff kondensiert, sammelt sich ebenfalls in der Anoden-Passage 16. Andere Gase, die im Wasserstoffeingang vorliegen, sammeln sich ebenfalls im Anoden-Passage 16. Inerte Gase und Wasser müssen periodisch aus dem Anoden-Passage 16 entfernt oder gereinigt werden, um die Effizienz der Brennstoffzelle 10 zu erhalten.
Es bestehen viele Verfahren, um Brennstoffzellen von inerten Gasen und Wasser zu reinigen. Das einfachste Verfahren ist eine nur periodische Reinigung durch Öffnen der Anode zur Atmosphäre. Dies vertreibt die inerten Gase und Wasser, zusammen mit einigem Wasserstoff. Andere Verfahren beinhalten die Überwachung der Strommenge, die durch die Brennstoffzelle 10 produziert wird, und bestimmen den Inertgas- und Wasser-Aufbau. Wenn eine Belastung der Brennstoffzelle erfolgt, nimmt die Spannung der Brennstoffzelle als Funktion der Last ab. Eine richtig funktionierende Brennstoffzelle produziert eine vorhersagbare Spannungs-/Strom-Polarisationskurve, die auf einer Funktion der Leistungsabgabe beruht. Bevorzugt bleiben die individuellen Zellspannungen einer Brennstoffzelle im Verhältnis zu den anderen Zellspannungen gleich. Wenn eine oder mehr Zellspannungen niedriger als der Gesamtdurchschnitt der Zellspannungen sind, kann eine Zelle mit Wasser geflutet sein und eine Reinigung benötigen, um den Überschuß an Wasser abzuführen. Auch wenn die Polarisationskurve hinsichtlich der Nenn-Leistung ein Leck anzeigt, benötigt die Anode eine Reinigung, um jedes gesammelte Inertgas zu entfernen. Das Problem dieses Verfahrens ist, dass der Wasser-Aufbau so schnell auftritt, dass die aktive Reinigungsüberwachung die Anode nicht schnell genug reinigt, um angesammeltes überschüssiges Wasser zu entfernen.
Eine Brennstoffzellensteuerung 24 steuert den Betrieb der Brennstoffzelle 10. Wenn die Steuerung 24 feststellt, dass die Brennstoffzelle 10 eine Reinigung benötigt, signalisiert die Steuerung 24 einem Dreiwegeventil 26, sich von einer geschlossenen Position in eine erste Position zu bewegen. Wenn das Ventil 26 sich in der ersten Position befindet, werden der ausgespülte Wasserstoff, andere Gase und Wasser zu einer Wasserentfernungsvorrichtung 28 geleitet. Die Wasserentfernungsvorrichtung ist eine Wasserfalle, die Wasser aus dem Wasserstoffstrom in einer oder beiden Passagen entfernt. Erstens bewirkt die Wasserentfernungsvorrichtung, dass der Gasfluß auf mehrere Oberflächen auftrifft, wodurch mitgerissene Wassertropfen abgeschieden werden und sich am Boden der Wasserentfemungsvorrichtung ansammeln. Zweitens beinhaltet die Wasserentfernungsvorrichtung einen großen Oberflächenbereich, der als Wärmetauscheroberfläche zum Kühlen des Gasstroms funktioniert. Wenn die Gastemperatur erniedrigt wird, kondensiert der Wasserdampf im Gasstrom und sammelt sich am Boden der Wasserentfernungsvorrichtung. Gesammeltes flüssiges Wasser wird zu einem Speichertank geleitet.
Die Wasserentfernungsvorrichtung 28 trennt das Wasser vom überschüssigen Wasserstoff und anderen Gasen. Das Wasser 28 wird aus der Wasserentfernungsvorrichtung entfernt und der überschüssige Wasserstoff und andere Gase zu einem Wasserstoffspeicherbehälter 30 geleitet. Der Wasserstoffspeicherbehälter 30 beinhaltet eine Menge eines Wasserstoffspeichermediums, das den überschüssigen Wasserstoff im Wasserstoffspeichermediums adsorbiert. Wasserstoffspeichermedium kann jede beliebige Vorrichtung sein, wie Metallhydride und Carbonfaser-Nanoröhren, wie in der PCT-Anmeldung WO 98/39250 A beschrieben, auf deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich bezug genommen wird.
Der Betrieb einer 75 kW Brennstoffzelle erzeugt im allgemeinen alle zwei Minuten etwa 5 Liter Wasserstoffüberschuß. Der Wasserstoffspeicherbehälter 30 sollte so bemessen sein, dass er den überschüssigen Wasserstoff, der aus der Brennstoffzelle, während diese in einem geschlossenen Raum betrieben wird, ausgetrieben wird, sammeln kann. Typischerweise sollte der Wasserstoffspeicherbehälter 30 so dimensioniert sein, dass er 20 Standardliter Wasserstoff speichern kann. Metallhydride können üblicherweise 100 bis 800 Standardliter pro Kilogramm Metallhydridlegierung speichern. Die Metallhydridlegierung ist die Hauptkomponente eines Metallhydridsystems, das üblicherweise aus einem Behälterkanister, Wasserstoffeingangs/-ausgangsöffnung, Druckentlastungs-vorrichtung und Partikelfilter besteht. Ein Beispiel eines geeigneten Metallhydridsystems ist ein Modell BL-20 Kanister, wie er von Hydrogen Components Inc. erhältlich ist. Andere Metallhydridlegierungen und Systeme sind ebenfalls für die Erfindung geeignet. Z. B. sind Metallhydridlegierungen und Systeme, die von Ergenics Inc. hergestellt werden, geeignet, wenn der ausgetriebene Wasserstoff Wasser beinhaltet. Diese Konstruktion kann die Notwendigkeit einer Wasserentfernungsvorrichtung 28 verhindern.
Die Steuerung 24 überwacht die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, das eine Brennstoffzelle 10 enthält. Wenn die Steuerung feststellt, dass das Fahrzeug oberhalb einer vordefinierten Geschwindigkeit betrieben wird, sendet die Steuerung 24 ein Signal zum Dreiwegeventil 28, eine zweite Position einzunehmen. Die zweite Position leitet den überschüssigen Wasserstoff, andere Gase und Wasser direkt in die Atmosphäre. Die Steuerung 24 sendet auch ein Signal zum Entlüftungsventil 34, um den Wasserstoffspeicherbehälter 30 von überschüssigem Wasserstoff zu reinigen.
Metallhydridlegierungen haben vorhersehbare Wasserstoffabsorptions-/Desorptionscharakteristika, die durch Druck-Konzentrations-Isothermen (PCT Daten) oder Van't Hoff Diagramme definiert sind. Solche Daten definieren den Konzentrationsplateau-Druck bei einer gegebenen Temperatur, bei der das Metallhydrid entweder Wasserstoff absorbiert oder desorbiert (entlädt). Um die Metallhydridlegierung zu reinigen, muß der Druck des Metallhydridbettes für die maßgebende Temperatur unter den Metallhydridplateau-Druck reduziert werden. Um Wasserstoff zu absorbieren, muß das Metallhydridbett einem höheren Druck als der Plateau-Druck ausgesetzt werden. So kann durch richtige Auswahl der Metallhydridlegierung (z. B. Auswahl einer Metallhydridlegierung, deren Plateau-Druck bei der erwünschten Betriebstemperatur größer als 9,8067·10⁴ Pa ist) das Austreiben durch einfaches Entlüften des Metallhydridsystems auf Umgebungsdruck erreicht werden. Wenn Wasserstoff entweicht, kühlt die Metallhydridlegierung ab. Demzufolge kann es notwendig sein, das Metallhydridbett zu erwärmen, um die Legierung bei einer Temperatur zu halten, bei der der Plateau-Druck größer ist als der Umgebungsdruck. Dies kann durch Verwendung eines einfachen Luftventilators, der Luft über den Metallhydridbehälter bläst, um die Metallhydridlegierung zu erwärmen, erfolgen. Sofern größere Erwärmung erforderlich ist, kann heiße Luft aus der Brennstoffzelle oder anderen Wärmequellen oder in anderer Farm von Wärmefluid verwendet werden.
Die Steuerung 24 wird durch ein Programm betrieben, das unter Bezug auf das in 2 dargestellte Flußdiagramm erläutert wird. Die Steuerung überwacht die Fahrzeuggeschwindigkeit 36. Die Fahrzeuggeschwindigkeit 36 wird in Schritt 38 mit einem vorbestimmten festgesetzten Punkt verglichen. Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit unter dem festgesetzten Punkt liegt, sendet die Steuerung ein Signal 40 zum Dreiwegeventil 26. Das Signal 40 bewirkt, dass das Dreiwegeventil 26 sich in eine erste Position einstellt und überschüssigen Wasserstoff, andere Gase und Wasser zur Wasserentfernungsvorrichtung 28 und Wasserstoffspeicherbehälter 30 leitet. Die Steuerungsstrategie unterstellt, dass Wasserstoff, der, während das Fahrzeug sich in einem stationären Zustand oder bei sehr niedriger Geschwindigkeit befindet, durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, besser gespeichert wird, statt in die Atmosphäre abgelassen zu werden, um Wasserstoff-Ansammlung in einem geschlossenen Raum zu verhindern. Wenn der Vergleichsschritt 38 feststellt, dass die Fahrzeuggeschwindigkeit den festgesetzten Punkt überschreitet, sendet die Steuerung 24 ein Signal 42 an das Dreiwegeventil 26. Das Signal 42 stellt das Ventil 26 in eine zweite Position. Die zweite Position bewirkt, dass der überschüssige Wasserstoff, andere Gase und Wasser direkt in die Atmosphäre entlüften. Das Signal 42 bewirkt auch, dass Ventil 24 den Wasserstoffspeicherbehälter 30 reinigt. Die Steuerungsstrategie nimmt an, dass, wenn das Fahrzeug sich oberhalb eines vorbestimmten festgesetzten Punktes bewegt, es sicher ist, den überschüssigen Wasserstoff und angesammelten Wasserstoff in die Atmosphäre zu entlüften.
Während besondere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, ist dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen derselben möglich sind, ohne sich von der Lehre der Erfindung zu entfernen und diese sind im Schutzumfang des Anspruchs enthalten.