DE10065458B4

DE10065458B4 - Verfahren zur Detektion des Abschaltzustandes während der Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit Anodendrucksteuerung

Info

Publication number: DE10065458B4
Application number: DE10065458A
Authority: DE
Inventors: Bruce J. Clingerman; Donald H. Keskula; Tien M. Doan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: DE10065458A1; CA2327608A1; US6413662B1

Abstract

Verfahren zur Detektion eines Abschaltzustands während einer Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneinlaß und einen Anodenauslaß aufweist, mit den folgenden Schritten, daß:
ein Anodenbypassventil in Verbindung mit dem Anodeneinlaß und eine Steuerung vorgesehen wird, die die Drücke an dem Anodeneinlaß und dem Anodenauslaß bestimmen kann;
die Anodeneinlaß- und -auslaßdrücke erfaßt werden, wenn eine Abschaltung eingeleitet wird und ein erster Druckdifferenzwert erzeugt wird;
der Druck an dem Anodeneinlaß und -auslaß zu einem Zeitpunkt erfaßt wird, nachdem die Steuerung eine Abschaltweisung erteilt hat und ein zweiter Druckdifferenzwert erzeugt wird; und
der erste Druckdifferenzwert mit dem zweiten Druckdifferenzwert verglichen wird, und, wenn der erste Druckdifferenzwert den zweiten Druckdifferenzwert nicht um eine vorbestimmte Größe überschreitet, eine Schnellabschaltung ausgelöst wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion des Abschaltzustandes eines Brennstoffzellensystems.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantrieben als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen einen Membranelektrodenaufbau (MEA), der eine dünne, protonendurchlässige, nicht elektrisch leitfähige Festpolymerelektrolytmembran umfaßt, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der gegenüberliegenden Seite den Kathodenkatalysator umfaßt. Der MEA ist zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Elemente geschichtet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Der Begriff Brennstoffzelle wird abhän gig vom Zusammenhang typischerweise als Bezeichnung für entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) verwendet. Eine Vielzahl einzelner Zellen wird üblicherweise miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und gemeinsam in Serie angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfaßt den Membranelektrodenaufbau (MEA), wie vorher beschrieben wurde, und jeder derartige MEA liefert seinen Spannungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zellen innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. Typische Anordnungen von Mehrfachzellen in einem Stapel sind in dem U.S. Patent Nr. 5,763,113 A beschrieben, das der General Motors Corporation übertragen ist.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyten bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfaßt typischerweise fein unterteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitfähigen Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise kostbare Metallpartikel. Diese Membranelektrodenaufbauten sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen wirksamen Betrieb bestimmte Bedingungen, wie beispielsweise ein richtiges Wassermanagement und eine Befeuchtung und eine Regelung von katalysatorschädlichen Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).
Bei Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise einen Alkohol (beispielsweise Methanol oder Ethanol) oder Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Benzin) als Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige flüssige Brennstoffe für das Fahrzeug sind leicht an Bord zu speichern und es besteht eine breite Infrastruktur zur Lieferung flüssiger Brennstoffe. Jedoch müssen derartige Brennstoffe aufgespalten werden, um deren Wasserstoffgehalt zur Befüllung der Brennstoffzelle mit Brennstoff freizugeben. Die Aufspaltungsreaktion wird in einem chemischen Brennstoffprozessor oder Reformer erreicht. Der Brennstoffprozessor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren, in denen der Brennstoff mit Dampf und manchmal Luft reagiert, um ein Reformatgas zu erzielen, das hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfaßt. Beispielsweise reagieren bei dem Dampf-Methanol-Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. In Wirklichkeit werden auch Kohlenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem Benzinreformationsprozeß werden Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor reagiert, der zwei Abschnitte umfaßt. Einer ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX) und der andere ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Der Brennstoffprozessor erzeugt Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser. Unterstromige Reaktoren können Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren) umfassen. In dem PROX wird Kohlendioxid (CO₂) aus Kohlenmonoxid (CO) unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als ein Oxidationsmittel erzeugt. Hierbei ist die Steuerung der Luftzufuhr wichtig, um CO selektiv in CO₂ zu oxidieren.
Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff verarbeiten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM-Brennstoffzellen zu erzeugen, sind bekannt und beschrieben in den ebenfalls anhängigen U.S. Patentanmeldungen Seriennrn. 08/975,442 und 08/980,087, die im November 1997 eingereicht wurden, und U.S. Seriennr. 09/187,125, die im November 1998 eingereicht wurde und die jeweils der General Motors Corporation übertragen sind, die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung ist; und in der internationalen Anmeldung Veröffentlichungsnr. WO 98/08771 A2 die am 5. März 1998 veröffentlicht wurde. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihr Membranelektrodenaufbau (MEA) sind in den U.S. Patenten Nr. 5,272,017 A und 5,316,871 A beschrieben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai 1994 eingereicht wurden und auf die General Motors Corporation übertragen sind.
Ein wirksamer Betrieb eines Brennstoffzellensystems hängt von der Fähigkeit ab, Gasströmungen (H₂-Reformat und Luft/Sauerstoff) zu dem Brennstoffzellenstapel nicht nur während der Startphase und dem normalen Systembetrieb wirksam zu steuern, sondern auch während der Systemabschaltung. Während der Abschaltung eines Brennstoffzellensystemes, das Wasserstoff aus flüssigem Brennstoff erzeugt, steigen die CO-Emissionen der Anode an und können den Stapel schädigen. Demgemäß besteht ein Hauptanliegen während der Abschaltung in der Umlenkung der Gasströmungen von H₂ und Luft/Sauerstoff um oder weg von dem Brennstoffzellenstapel und der Beseitigung des überschüssigen H₂. Die H₂- und Luftströmungen, die von dem Stapel während des Abschaltens umgelenkt werden, müssen auch getrennt gehalten werden, um die Bildung einer brennbaren Mischung in dem System zu vermeiden. Der Stapel muß auch vor längeren Druckunterschieden (beispielsweise größer als fünf Sekunden) geschützt werden, die einen Bruch der dünnen Membrane in dem Membranelektrodenaufbau (MEA), die die Anoden- und Kathodengase trennen, zur Folge haben könnten. Es ist daher wichtig, sicherzustel len, daß die Gasumlenkung von dem Stapel weg beim Abschalten richtig erfolgt und beim Start richtig wiederhergestellt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzusehen, bei dem die Gasumlenkung von dem Stapel weg beim Abschalten richtig erfolgt, so dass die Gasumlenkung beim Start richtig wiederhergestellt wird.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
Bei einem Aspekt wird die Umlenkung von Gasströmungen um den Stapel während der Abschaltung mit Anoden- und Kathodenbypassventilen erreicht. Bei dem Brennstoffzellensystem, das zur Verwendung in Fahrzeuganwendungen angepaßt ist, umfassen die Bypassventile sich relativ langsam bewegende Bypassventile vom Kraftfahrzeugtyp. Die Erfindung löst die potentiellen Probleme, die infolge eines Ausfalls eines Bypassventils aufgeworfen werden, um eine Strömung um den Stapel abzusperren und umzulenken, was den Stapel schädigen kann. Insbesondere kann eine Betriebsunfähigkeit des Anodenbypassventils beim Abschalten den Stapel mit überschüssigem CO in dem H₂-Reformat von dem Brennstoffprozessor schädigen. Ähnlicherweise kann ein Ausfall des Anodenbypassventils beim Öffnen in der Startphase des Brennstoffzellensystems in einer Zellenumkehr resultieren. Eine Zellenumkehr tritt auf, wenn der Brennstoffzellenstapel belastet ist und nicht genug H₂ an den Anodeneinlaß geliefert wird, wodurch ein Membrandurchbruch und eine dauerhafte Stapelschädigung bewirkt wird. Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren vor, um sicherzustellen, daß die Umlenkung des Gases weg von der Anode beim Abschalten richtig erfolgt und beim Start richtig wiederhergestellt wird. Hierbei wird ein Anodenbypassventil und eine zugeordnete Ventilanordnung verwendet, um die richtige Umlenkung und Wiederherstellung der Strömung sicherzustellen.
Bei einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Ventilanordnung vor, um sicherzustellen, daß das Anodenbypassventil während einer normalen Abschaltung geschlossen ist. Wenn bestimmt wird, daß sich das Anodenbypassventil während der normalen Abschaltung nicht richtig geschlossen hat, wird das Brennstoffzellensystem in einen Schnellabschaltmodus gesetzt, bei dem CO-reiches H₂-Reformat sofort von dem Anodeneinlaß entlüftet wird. Dies schützt den Stapel vor einer CO-Schädigung.
Gemäß eines Aspektes der Erfindung wird der Druck an dem Anodeneinlaß mit dem Druck an dem Anodenauslaß verglichen. Dieser anodenseitige Druckabfall über den Stapel nimmt während einer normalen Abschaltung, bei der das Anodenbypassventil richtig arbeitet, ziemlich schnell ab. Wenn das Anodenbypassventil schließt, kann durch Überwachung des ”Spaltes” des Druckunterschiedes zwischen dem Anodeneinlaß und -ausaß während der ersten einigen Sekunden der Abschaltung bestimmt werden, ob das Anodenbypassventil richtig geschlossen ist. Ein ”geschlossenes” Bypassventil ist als eine Ventilstellung definiert, die die gesamte Strömung um den Stapel herum führt. Wenn der Spalt zwischen den Druckverlusten des Anodeneinlasses und -auslasses in den ersten einigen Sekunden schnell auf Null abfällt, ist das Anodenbypassventil richtig geschlossen. Wenn der Spalt zwischen den Druckverlusten des Anodeneinlasses und -auslasses während der Abschaltung langsam abfällt oder ansteigt, wird ein Signal durch die Brennstoffzellensystemsteuerung oder -software erzeugt, das einen Anodenbypassfehler anzeigt und eine Schnellabschaltung auslöst. In dem Schnellabschaltmodus wird der Anodeneinlaß durch eine schnell wirkende Entlüftung in dem Strömungsweg von dem Anodenbypassventil zu dem Anodeneinlaß sofort entlüftet.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung werden Drucksensoren an dem Anodeneinlaß und -auslaß vorgesehen, und wahlweise werden irgendwelche Grenzschalter, Verdrahtung und Eingangs-/Ausgangsstrukturen, die der Bypassventileinrichtung zur physikalischen Verifizierung eines richtigen Betriebes zugeordnet sind, entfernt. Der Unterschied der Drücke, die durch die Sensoren an dem Anodeneinlaß und -auslaß bestimmt werden, wird zumindest während einer normalen Abschaltprozedur vorsichtig überwacht und der Unterschied über eine Zeitperiode entsprechend der Zeit verfolgt, in der typischerweise zu erwarten ist, daß sich der Druck an dem Anodeneinlaß mit dem Druck an dem Anodenauslaß ausgleicht, wenn das Anodenbypassventil richtig schließt. Wenn der Druckunterschied über die vorgeschriebene Zeitperiode nicht signifikant abnimmt, wird ein Signal erzeugt, das einen Anodenbypassfehler angibt, und das System wird in einen Schnellabschaltmodus geschaltet, in dem der Anodeneinlaß sofort entlüftet wird.
Die Entlüftungsventileinrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann existierende Ventile und ein während einer Abschaltung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuertes Brennstoffzellensystem umfassen, oder kann eine Ventileinrichtung nur zu diesem Zweck umfassen, die an das existierende Brennstoffzellensystem angefügt wird. Eine Überwachung des Druckunterschiedes über die Drucksensoren kann durch eine zweckbestimmte Steuerung erfolgen, die einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. umfaßt, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in dem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung kann zusätzlich eine existierende Steuerung in einem Brennstoffzellensystem umfassen. Die Steuerung der schnell wirkenden Entlüfungsventileinrichtung bei einer Schnellabschaltung wird auf ähnliche Art und Weise erreicht.
Zeichnungskurzbeschreibung
Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlicher, in welchen:
1 eine Zeichnung ist, die ein Brennstoffzellensystem darstellt, auf das das Verfahren zur Überwachung des Bypassventiles und eine bevorzugte Entlüftungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann.
2 eine Zeichnung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystemes ist, das bildlich dargestellt mit einer Gebrauchsanwendung verbunden ist.
2A ein Flußdiagramm ist, das eine beispielhafte Erzeugung von Normal- und Schnellabschaltanweisungen durch ein Fahrzeugsystem an Bord darstellt.
3 eine vereinfachte idealisierte asströmungs- und Entlüftungsdarstellung des Brennstoffzellensystemes von 1 in einem normalen Betriebsmodus (d. h. ohne Abschaltung) gerade vor der Aufnahme einer Abschaltanweisung ist, das gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Entlüftungsanordnung versehen ist.
3A die Bypassventilsymbole zeigt, die dazu verwendet werden, die Erfindung in den 3 bis 6 darzustellen.
4 das Brennstoffzellensystem von 3 in einer Zwischenstufe einer normalen Abschaltung zeigt, bei der das Kathodenbypassventil teilweise geschlossen ist und das Anodenbypassventil teilweise geschlossen ist.
5 das Brennstoffzellensystem von 3 zeigt, bei dem das Kathodenbypassventil vollständig geschlossen ist, und bei dem das Anodenbypassventil angewiesen wird, sich zu schließen.
6 das Brennstoffzellensystem von 5 in einem Schnellabschaltmodus zeigt, nachdem eine Betriebsunfähigkeit des Anodenbypasses detektiert worden ist.
7 das Brennstoffzellensystem von 1 mit einer hinzugefügten Entlüftungsventileinrichtung zeigt, um das Verfah ren der vorliegenden Erfindung zur Überwachung des Anodenbypasses auszuführen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung ist insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Nutzen, die dazu verwendet werden, Leistung für einen Fahrzeugantrieb zu erzeugen. Dies wird weiter durch Bezugnahme auf das in 1 nur beispielhaft gezeigte Brennstoffzellensystem offensichtlich. Daher ist es vor der weiteren Beschreibung der Erfindung von Nutzen, den Systemtyp zu verstehen, mit dem das Verfahren zur Überwachung des Anodenbypasses verwendet werden kann, um den Stapel zu schützen, und ferner, den Ort und das Zusammenspiel eines Bypasses und einer Entlüftungsventileinrichtung in einem derartigen System zu veranschaulichen.
1 zeigt ein Beispiel eines Brennstoffzellensystemes. Das System kann in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) als eine Energiequelle zum Fahrzeugantrieb verwendet werden. Bei dem System wird ein Kohlenwasserstoff in einem Brennstoffprozessor beispielsweise durch Reformationsprozesse und Prozesse mit selektiver Oxidation verarbeitet, um ein Reformatgas zu erzeugen, das auf einer Volumen- oder Molbasis einen relativ hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Daher bezeichnet ”H₂” wasserstoffreich oder mit einem relativ hohen Wasserstoffgehalt.
Die Erfindung ist nachfolgend im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle, die durch ein H₂-reiches Reformat mit Brennstoff befüllt wird, ungeachtet des Verfahrens beschrieben, durch das ein derartiges Reformat hergestellt wird. Es ist zu verstehen, daß die hier ausgeführten Prinzipien auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch H₂ mit Brennstoff befüllt werden, der von einer beliebigen Quelle erhalten wird, einschließlich reformierbarem Kohlenwasserstoff und wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Benzin, Alken oder andere aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe.
Wie in 1 gezeigt ist, umfaßt eine Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffprozessor 2 zur katalytischen Reaktion eines Brennstoffstromes 6 aus reformierbarem Kohlenwasserstoff und Wasser in der Form von Dampf aus einem Wasserstrom 8. Bei einigen Brennstoffprozessoren wird auch Luft in einer Kombination aus Reaktion mit selektiver Oxidation/Dampfreformierungsreaktion verwendet. In diesem Fall nimmt der Brennstoffprozessor 2 auch einen Luftstrom 9 auf. Der Brennstoffprozessor umfaßt einen oder mehrere Reaktoren 12, wobei der reformierbare Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Strom 6 in Anwesenheit von Wasser/Dampf 8 und manchmal Luft (in Strom 9) eine Aufspaltung erfährt, um das wasserstoffreiche Reformat zu erzeugen. Ferner kann jeder Reaktor 12 ein oder mehrere Reaktorbetten umfassen. Der Reaktor 12 kann einen oder mehrere Abschnitte oder Betten aufweisen, wobei eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und anwendbar sind. Daher kann die Auswahl und Anordnung der Reaktoren 12 variieren, wobei beispielhafte Brennstoffreformierungsreaktor(en) 14 und unterstromige Reaktor(en) 16 unmittelbar anschließend beschrieben sind.
Beispielsweise reagieren in einem beispielhaften Dampf-Methanol-Reformationsprozeß Methanol und Wasser (als Dampf) idealerweise in einem Reaktor 14, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Tatsächlich werden auch Koh lenmonoxid und Wasser erzeugt. Bei einem weiteren Beispiel reagieren in einem beispielhaften Benzinreformationsprozeß Dampf, Luft und Benzin in einem Brennstoffprozessor, der einen Reaktor 14 umfaßt, der zwei Abschnitte aufweist. Ein Abschnitt des Reaktors 14 ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX) und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Dampfreformer (SR). Wie in dem Fall der Methanolreformation erzeugt die Benzinreformation den erwünschten Wasserstoff, erzeugt aber zusätzlich Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Nach jedem Reformationstyp ist es erwünscht, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstromes zu verringern.
Demgemäß umfaßt der Brennstoffprozessor typischerweise auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren 16, wie beispielsweise Wasser-Gas-Shift-Reaktoren (WGS-Reaktoren) und Reaktoren für selektive Oxidation (PROX-Reaktoren), die dazu verwendet werden, aus Kohlenmonoxid Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Vorzugsweise wird der anfängliche Reformatausgangsgasstrom, der Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasser umfaßt, in einem Reaktor 16 für selektive Oxidation (PROX-Reaktor) weiter behandelt, um die CO-Niveaus darin auf annehmbare Niveaus, beispielsweise unterhalb 20 ppm zu reduzieren. Dann wird während des Laufmodus das H₂-reiche Reformat 20 durch Ventil 31 in die Anodenkammer eines Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom 24 in die Kathodenkammer der Brennstoffzelle 22 zugeführt. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom 20 und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 24 reagieren in der Brennstoffzelle 22, um Elektrizität zu erzeugen.
Das Abgas oder der Abfluß 26 von der Anodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Wasserstoff. Das Abgas oder der Abfluß 28 von der Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 enthält einigen nicht reagierten Sauerstoff. Luft für den Oxidationsmittelstrom 24 wird durch eine Luftversorgung, vorzugsweise einen Kompressor 30 vorgesehen. Bei normalen Betriebszuständen wird Luft von der Luftversorgung (Kompressor 30) an die Brennstoffzelle 22 durch ein Ventil 32 geführt. Während der Startphase wird jedoch das Ventil 32 betätigt, um Luft direkt an den Eingang eines Brenners 34 zu liefern. Die Luft wird in dem Brenner 34 dazu verwendet, mit einem Brennstoff zu reagieren, der durch Leitung 46 geliefert wird. Die Verbrennungswärme wird dazu verwendet, verschiedene Teile des Brennstoffprozessors 2 zu erwärmen.
Es sei angemerkt, daß einige der Reaktionen, die in dem Brennstoffprozessor 2 auftreten, endotherm sind und somit Wärme erfordern. Andere Reaktionen verlaufen exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wärme. Typischerweise erfordert der PROX-Reaktor 16 eine Beseitigung von Wärme. Eine oder mehrere der Reformationsreaktionen in dem Reaktor 14 sind typischerweise endotherm und erfordern eine Zugabe von Wärme. Dies wird typischerweise durch Vorerwärmen der Reaktanden (Brennstoff 6, Dampf 8 und Luft 9) und/oder durch Erwärmen ausgewählter Reaktoren erreicht.
Wärme von dem Brenner 34 erwärmt während der Startphase ausgewählte Reaktoren und Reaktorbetten in dem Brennstoffprozessor 2. Der Brenner 34 erzielt eine Erwärmung der ausgewählten Reaktoren und Betten in dem Brennstoffprozessor je nach Erfordernis durch indirekte Wärmeübertragung damit. Typischerweise umfassen derartige indirekt er wärmte Reaktoren eine Reaktionskammer mit einem Einlaß und einem Auslaß. In der Reaktionskammer sind die Betten in der Form von Trägerelementsubstraten vorgesehen, von denen jedes eine erste Oberfläche aufweist, die katalytisch aktives Material zur Erzielung der gewünschten chemischen Reaktionen trägt. Eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, dient zum Wärmeübergang von heißen Gasen auf die Trägerelementsubstrate. Zusätzlich ist der Brenner 34 verwendbar, um den Brennstoff 6, das Wasser 8 und die Luft 9 vorzuerwärmen, die als Reaktanden an den Brennstoffprozessor 2 geliefert werden.
Es sei angemerkt, daß die Luft 9, die an den Brennstoffprozessor 2 geliefert wird, in einem oder mehreren der Reaktoren 12 verwendet werden kann. Wenn Reaktor 14 ein Benzinreformationsreaktor ist, dann wird Luft von Leitung 9 an den Reaktor 14 geliefert. Der PROX-Reaktor 16 verwendet auch Luft, um CO in CO₂ zu oxidieren, und empfängt auch Luft von der Luftlieferquelle (Kompressor 30) über Leitung 9.
Der Brenner 34 definiert eine Kammer 41 mit einem Einlaßende 42, einem Auslaßende 44 und einem Katalysatorabschnitt 48 zwischen den Enden. Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird in den Brenner eingespritzt. Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff wird, wenn er in flüssiger Form vorliegt, vorzugsweise verdampft und zwar entweder vor der Einspritzung in den Brenner oder in einem Abschnitt des Brenners, um den Brennstoff zur Verbrennung zu verteilen. Die Verdampfung kann mit einem elektrischen Heizer ausgeführt werden. Sobald das System arbeitet und der Brenner aufgewärmt worden ist, kann die Verdampfung durch Wärmeaustausch. unter Verwendung von Wärme von dem Brennerabgas stattfinden, um den eintretenden Brennstoff zu verdampfen. Vorzugsweise ist eine Brennstoff meßvorrichtung 43 vorgesehen, um die Rate zu steuern, mit der Kohlenwasserstoff-Brennstoff an den Brenner geliefert wird.
Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 und der Anodenabfluß 26 reagieren in dem Katalysatorabschnitt 48 des Brenners 34, wobei dieser Abschnitt zwischen den Einlaß- und Abgasenden 42 bzw. 44 des Brenners 34 liegt. Sauerstoff wird entweder von der Luftversorgung (d. h. Kompressor 30) über Ventil 32 oder von einem zweiten Luftströmungsstrom, wie beispielsweise einem Kathodenabflußstrom 28, abhängig von den Systembetriebsbedingungen an den Brenner 34 geliefert. Ein Ventil 50 erlaubt die Freigabe des Brennerabgases 36 an die Atmosphäre, wenn es nicht erforderlich ist, um Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 zu erwärmen.
Wie ersichtlich ist, ergänzt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffstrom 46 den Anodenabfluß 26 als Brennstoff für den Brenner 34, wie erforderlich ist, um die Übergangs- und Festzustandserfordernisse des Brennstoffzellensystems zu erfüllen. In einigen Situationen gelangt Abgas durch einen Regler 38, ein Absperrventil 140 und einen Schalldämpfer 142, bevor es an die Atmosphäre freigegeben wird. In 1 sind die Symbole wie folgt: ”V” ist Ventil, ”MFM” ist Massenflußmeter, ”T” ist Temperaturüberwachung, ”R” ist Regler, ”C” ist Kathodenseite, ”A” ist Anodenseite der Brennstoffzelle, ”INJ” ist Einspritzeinrichtung und ”COMP” ist Kompressor.
Die Menge an Wärme, die von den gewählten Reaktoren in dem Brennstoffprozessor 2 gefordert wird und an den Brenner 34 geliefert werden soll, ist abhängig von der Menge an Brennstoff- und Wassereingang und schließlich der Sollreaktionstemperatur in dem Brennstoffprozessor 2. Wie vorher angemerkt wurde, wird manchmal auch Luft in dem Brennstoffpro zessorreaktor verwendet und muß zusammen mit dem Brennstoff- und dem Wassereingang auch berücksichtigt werden. Um die Wärmeanforderung des Brennstoffprozessors 2 liefern zu können, verwendet der Brenner 34 das gesamte Anodenabgas oder -abfluß 26 und möglicherweise einigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Enthalpiegleichungen werden dazu verwendet, um die Menge an Kathodenabgasluft zu bestimmen, die an den Brenner 34 geliefert werden soll, um die Solltemperaturanforderungen des Brenners 34 erfüllen zu können, damit der Brenner 34 schließlich die durch den Brennstoffprozessor 2 geforderte Wärme erzielt. Der Sauerstoff oder die Luft, die an den Brenner 34 geliefert werden, umfaßt Kathodenabflußabgas 28, das typischerweise einen Prozentsatz des Gesamtsauerstoffes darstellt, der zu der Kathode der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und/oder einen Luftstrom von dem Kompressorausgang abhängig davon, ob die Vorrichtung in einem Startmodus, bei dem ausschließlich der Kompressorluftstrom verwendet wird, oder in einem Laufmodus unter Verwendung des Kathodenabflusses 28 und/oder der Kompressorluft arbeitet. In dem Laufmodus wird die Gesamtluft-, Sauerstoff- oder Verdünnungsanforderung, die von dem Brenner 34 erforderlich ist und nicht durch den Kathodenabfluß 28 erfüllt wird, durch den Kompressor 30 in einer Menge geliefert, um die Temperatur und Wärme zu erfüllen, die von dem Brenner 34 bzw. dem Brennstoffprozessor 2 gefordert sind. Die Luftsteuerung ist über ein Luftverdünnungsventil 47 implementiert, das vorzugsweise ein über Schrittmotor angetriebenes Ventil mit einer variablen Mündung ist, um die Austrittsmenge an Kathodenabgas 28, die zu dem Brenner 34 geliefert wird, steuern zu können.
Bei dieser beispielhaften Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung verläuft der Betrieb des Brenners wie folgt. Zu Beginn des Betriebs, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung kalt ist und startet: (1) wird der Kompressor 30 durch einen Elektromotor angetrieben, der von einer externen Quelle (beispielsweise einer Batterie) gespeist ist, um die erforderliche Luft an das System zu liefern; (2) wird Luft in den Brenner 34 eingeführt und Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 (beispielsweise MeOH oder Benzin) in den Brenner 34 eingesprüht; (3) reagieren die Luft und der Brennstoff in dem Brenner 34, wobei eine im wesentlichen vollständige Verbrennung des Brennstoffes bewirkt wird; und (4) werden die heißen Abgase, die den Brenner 34 verlassen, an die gewählten Reaktoren 12 befördert, die mit dem Brennstoffprozessor 2 in Verbindung stehen.
Sobald die Reaktoren 12 in dem Brennstoffprozessor 2 eine erreichte angemessene Temperatur aufweisen, beginnt der Reformationsprozeß und der Prozeß umfaßt wie folgt: (1) Kathodenbypassventil 32 wird aktiviert (d. h. geöffnet), um Luft an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 22 zu führen; (2) Brennstoff und Wasser werden an den Brennstoffprozessor 2 zugeführt, um die Reformationsreaktion zu beginnen; (3) Reformat, das den Brennstoffprozessor 2 verläßt, wird an die Anodenseite der Brennstoffzelle 22 zugeführt; (4) Anodenabfluß 26 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (5) Kathodenabfluß 28 von der Brennstoffzelle 22 wird in den Brenner 34 geführt; (6) der Brennstoff, Luft, Kathodenabfluß 28 und Anodenabfluß 26 werden in dem Brenner 34 verbrannt. Bei einer bevorzugten Sequenz wird Schritt (2) zunächst zusammen mit der Lieferung von Luft direkt zu dem Brenner implementiert. Anschließend werden, wenn der wasserstoffreiche Strom angemessen niedrige CO-Niveaus aufweist, die Schritte (1) und (3) gefolgt durch die Schritte (4), (5) und (6) implementiert.
Unter bestimmten Bedingungen könnte der Brenner 34 ausschließlich mit den Anoden- und Kathoden-Abflüssen ohne Erfordernis für zusätzlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoff 46 arbeiten. Unter diesen Bedingungen ist die Brennstoffeinspritzung zu dem Brenner 34 unterbrochen. Unter anderen Bedingungen, beispielsweise erhöhten Leistungsanforderungen, wird ergänzender Brennstoff 46 vorgesehen, um den A_aus (26) zu dem Brenner 34 zu ergänzen. Es ist zu sehen, daß der Brenner 34 mehrere Brennstoffe aufnimmt, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie auch Anodenabfluß 26 von der Anode der Brennstoffzelle 22. Sauerstoffabgereicherte Abgasluft 28 von der Kathode der Brennstoffzelle 22 und Luft von dem Kompressor 30 werden auch an den Brenner 34 geliefert.
Gemäß dem Beispiel des vorliegenden Brennstoffzellensystemes steuert eine Steuerung 150, die in 1 gezeigt ist, verschiedene Aspekte des Betriebs des in 1 gezeigten Systemes. Die Steuerung 150 kann einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer, etc. umfassen, der eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) aufweist, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten auszuführen. Die Steuerung 150 kann eine zweckbestimmte Steuerung sein, die für eine der Komponenten in 1 spezifisch ist, oder kann als Software implementiert sein, die in dem elektronischen Hauptfahrzeugsteuermodul gespeichert ist. Ferner sei, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsmoden, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, zu verstehen, daß die Steuerung auch in Teilen oder im Ganzen durch eine zweckbestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet das Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelle 22 als Teil eines Fahrzeugantriebssystemes 60 (2). Hier umfaßt ein Abschnitt des Antriebssystems 60 eine Batterie 62, einen Elektromotor 64 und eine zugeordnete Antriebselektronik in der Form eines Inverters 65, der derart aufgebaut und angeordnet ist, um elektrische Energie von einem DC/DC-Wandler 61 aufnehmen zu können, der dem Brennstoffzellensystem und insbesondere Brennstoffzelle 22 zugeordnet ist, und um diese in durch den Motor 64 erzeugte mechanische Energie umzuwandeln. Die Batterie 62 ist derart aufgebaut und angeordnet, um elektrische Energie aufnehmen und speichern zu können, die von der Brennstoffzelle 22 geliefert wird, und um elektrische Energie aufnehmen und speichern zu können, die von dem Motor 64 während einer Rückarbeitsbremsung geliefert wird, und um elektrische Energie an den Motor 64 liefern zu können. Der Motor 64 ist mit einer Antriebsachse 66 gekoppelt, um Räder eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) zu drehen. Ein elektrochemisches Motorsteuermodul (EECM) 70 und ein Batteriepaketmodul (BPM) 71 überwachen verschiedene Betriebsparameter, die beispielsweise die Spannung und den Strom des Stapels umfassen können. Beispielsweise wird dies durch das Batteriepaketmodul (BPM) 71 oder durch das BPM 71 zusammen mit dem EECM 70 durchgeführt, um ein Ausgangssignal (Nachricht) an die Fahrzeugsteuerung 74 auf der Grundlage von Bedingungen zu senden, die durch das BPM 71 überwacht werden. Die Fahrzeugsteuerung 74 steuert den Elektromotor 64, den Inverter 65, den DC/DC-Wandler 61 und fordert ein Energieniveau von dem EECM 70.
Die Gasströmungen (H₂ und Luft) an die Brennstoffzelle 22 und den Brenner 34 in dem Brennstoffzellensystem von 1 sind für einen Start- und Laufmodus beschrieben worden. Derartige Systeme besitzen auch ei nen Abschaltmodus, bei dem die Gasströmungen an die Brennstoffzelle 22 umgelenkt und schließlich beendet werden, beispielsweise, wenn ein Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem zum Antrieb verwendet, abgeschaltet wird. Diese Umlenkung und Beendigung der Gasströmung wird durch die vorher dargestellten Ventile 31 und 32 für die H₂- bzw. Luftströmungen erreicht. Bei dem veranschaulichten System zum Fahrzeugantrieb nehmen die Ventile 31 und 32 typischerweise die Form von Bypassventilen vom Kraftfahrzeugtyp an, die gewöhnlich solenoidbetätigte Kugelhähne mit einem Rohrdurchmesser von etwa 25 bis 38 mm (etwa 1 bis 1 1/2 Inch) sind. Diese sind allgemein Dreiwegeventile (ein Eingang, zwei mögliche Ausgänge), deren Funktion ein Schließen umfaßt, um während des Abschaltens die Strömung von H₂ und Luft von der Brennstoffzelle 22 an den Brenner 34 zu umgehen.
Eine Luftströmung an den Brenner durch Kathodenbypassventil 32 verhindert, daß sich der Brenner überhitzt, wenn dieser das restliche H₂ von dem Anodenbypassventil 31 und den Abfluß verbrennt, der von dem Anodenauslaß der Brennstoffzelle 22 gedrosselt wird. Eine kontinuierliche Luftströmung unterstützt dann ein Abkühlen des Brenners, nachdem das gesamte restliche H₂ verbrannt worden ist. Eine typische Betriebstemperatur für einen Brenner, der in einer Brennstoffzellenvorrichtung des in 1 gezeigten Typs verwendet wird, beträgt 600°C. Eine Überhitzung kann den Brenner schädigen, was teure Reparaturen oder einen teuren Ersatz erforderlich macht. Demgemäß muß während der Abschaltprozedur der Lieferung von ausreichend Luftströmung an den Brenner beim Abschalten Priorität gegeben werden, um sowohl eine konstante Temperatur zum Verbrennen der Reste beizubehalten als auch zum Abkühlen des Brenners.
Die in 1 gezeigte Steuerung 150, die durch das nicht beschränkende Beispiel mit der BPM 71 und/oder der EECM 70 implementiert sein kann, überwacht den Betrieb des Brennstoffzellensystemes bezüglich Drücken, Temperaturen, Startzeiten, Zyklen, etc. und erzeugt laufend Abschaltanweisungen in Ansprechen auf gewählte Übergangsbedingungen des Systemes zur Übertragung in eine Algorithmenlogik (siehe 2A).
Die Systemabschaltsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann entweder als Hardware oder Software implementiert sein. Vorzugsweise ist die Steuerung als Software als Teil des Steuerprogrammes in der Steuerung 150 implementiert. 2A ist eine beispielhafte Darstellung der Steuerung als eine Logikschaltung, wie in der U.S. Patentanmeldung, Seriennr. 09/345,139 [H-204426] [GMLS-4426] offenbart ist, die mit der vorliegenden Anmeldung dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung gehört. Die Logik in 2A überprüft jedes Abschaltanweisungssignal, das von der Steuerung 150 empfangen wird, und führt eine Bestimmung oder eine Unterscheidung bezüglich dessen durch, ob die Abschaltanweisung als eine Schnellabschaltanweisung oder eine Normalabschaltanweisung angesehen werden soll. Die Unterscheidung betrifft die Überprüfung von Kriterien, die kurz in 2A dargestellt sind und detailliert in der oben angeführten und ebenfalls anhängigen Anmeldung beschrieben sind. Die Einzelheiten der Entscheidung für eine Normalabschalt- und Schnellabschaltanweisung und Signalerzeugung sind für die vorliegende Erfindung nicht kritisch, deren Anodenbypassüberwachungsverfahren und Entlüftungsventilanordnungen mit vielen verschiedenen Formen von Abschaltanweisungsschemas verwendet werden können.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Überwachung des Betriebes eines Anodenbypassventiles 31 während einer normalen Abschaltung und eine Auslösung einer Schnellabschaltung gerichtet, wenn der Anodenbypass beim Schließen versagt.
Die 3–6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer bevorzugten Entlüftungs- und Druckerfassungsanordnung zur Verwendung mit einem System, wie beispielsweise demjenigen, das in 1 dargestellt ist. Es sei zu verstehen, daß die 3–6 vereinfachte Darstellungen basierend auf dem in 1 gezeigten System sind, wobei Gasströmungen, der Ventilbetrieb und der Zusatz von Drucksensoren zur Ausführung der Erfindung hervorgehoben sind. Die zusätzlichen Drucksensoren sind als Drucksensor 100 in dem H₂-Versorgungsweg 20 zwischen dem Anodenbypassventil 31 und dem Anodeneinlaß 22a an oder in der Nähe des Anodeneinlasses, um den Anodeneinlaßdruck wirksam erfassen zu können, und als Drucksensor 102 in Druckverbindung mit dem Anodenauslaß 22c über Leitung oder Weg 21 von dem Anodenauslaß zu dem Brenner gezeigt. Zwischen dem Anodenauslaß 22c und dem Kathodenauslaß 22d und dem Brenner ist vorzugsweise eine Rückschlagventileinrichtung 90, 92 vorgesehen, um einen Rückfluß in den Strömungswegen zu verhindern. Der Drucksensor 102 ist unterstromig des Rückschlagventiles 90 in Leitung 21 angeordnet. Eine zusätzliche Entlüftungsventileinrichtung ist bei 80, 82 in Verbindung mit dem Anodenbypassventil 31 und bei 86 in Verbindung mit dem Kathodenbypassventil 32 und Kathodeneinlaß 22b gezeigt. Oberstromig des Kathodeneinlasses 22b ist eine optionale Kühleinrichtung vorgesehen.
Bei einer bevorzugten Form sind die Entlüftungsventile 80, 82 und 86 schnell wirkende Solenoidentlüftungen. Die brennbare Entlüftung 84 und die Oxidationsmittelentlüftung 88 können einfach an die Atmosphäre austragen und werden getrennt gehalten, um die Bildung einer brennbaren Mischung von H₂ und Luft in dem System während des unten beschriebenen Entlüftungsprozesses zu vermeiden. Die Drucksensoren 100 und 102 können von einem beliebigen Typ sein, der in der Lage ist, Signale zu erzeugen, die den Druck an dem Anodeneinlaß und -auslaß repräsentieren, wobei diese Signale ferner auf Echtzeitbasis mit der Verfolgung des Druckunterschiedes zwischen dem Anodeneinlaß und -auslaß verglichen werden können.
Es sei angemerkt, daß, obwohl die Enlüftungen 84 und 88 vorzugsweise einen einfachen Austrag an die Atmosphäre vorsehen, diese auch andere Formen annehmen können, wie beispielsweise Speichertanks, Adsorberbetten und andere bekannte Vorrichtungen zur Speicherung und Handhabung von Gasströmungen.
3 zeigt das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einem normalen Betriebsmodus gerade vor der Aufnahme einer Abschaltanweisung (d. h. vor der Abschaltung). H₂ strömt frei von dem Bypassventil 31 durch Leitung 20 an dem Drucksensor 100 vorbei zu dem Anodeneinlaß 22a. Nach der Verarbeitung in dem Brennstoffzellenstapel verläßt der Abfluß den Anodenauslaß 22c und gelangt durch Leitung 21 an dem Drucksensor 102 vorbei und dann zu dem Brenner 34, wo er, wie oben beschrieben ist, verbrannt wird. Die Bypassventilsymbole sind ferner in 3A gezeigt.
Während des normalen Betriebszustandes des Systems in 3 weist die H₂-Strömung durch die Anodenseite des Stapels einen erheblichen meßbaren Druckverlust auf, der zur Folge hat, daß der Anodenauslaßdruck, der durch Sensor 102 gemessen wird, erheblich niedriger als der Anodeneinlaßdruck wird, der durch Sensor 100 gemessen wird. Dieser Druckverlust oder -unterschied ist während des Normalbetriebes gut voraussagbar und wird durch die Systemsteuerung (1) überwacht.
Bei Aufnahme einer normalen Abschaltanweisung von der Steuerung beginnt das Anodenbypassventil 31, sich zu schließen, wie in 4 gezeigt ist. Der Anodeneinlaßdruck, der durch Sensor 100 gemessen wird, beginnt über die wenigen Sekunden, die es normalerweise dauert, damit sich das Bypassventil schließen kann, schnell abzufallen. Eine typische Betriebsgeschwindigkeit für ein Bypassventil vom Kraftfahrzeugtyp, wie bei 31 gezeigt ist, beträgt zum vollständigen Schließen 1 bis 5 Sekunden.
5 zeigt das Brennstoffzellensystem, wenn das Anodenbypassventil 31 vollständig geschlossen ist, um den Anodeneinlaß und Brennstoffstapel 22 vollständig zu umgehen. Wenn das Anodenbypassventil 31 richtig funktioniert hat, existiert keine Strömung an dem Sensor 100 vorbei und der Druck über den Stapel gleicht sich im wesentlichen so aus, daß die Drucksignale, die durch die Sensoren 100 und 102 berichtet werden, annähernd gleich sind.
Während einer normalen Abschaltung liefert die H₂-Versorgung für eine kurze Zeit dasselbe Niveau an H₂. Abhängig von dem Ort des Sensors 102 kann dies an Sensor 102 einen Druckanstieg zur Folge haben. Jedoch wird dieser Anstieg infolge des Rückschlagventiles 90 in Leitung 21 nicht an den Anodeneinlaß zu dem Drucksensor 100 übertragen. Schließlich fällt jedoch der Druck von der H₂-Versorgung bei Sensor 102 ab, wenn die H₂-Versorgung während der Abschaltprozedur allmählich abgeschaltet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt, ob das Anodenbypassventil 31 in der normalen Abschaltsituation von 5 tatsächlich geschlossen ist. Dies wird durch Verfolgung des Druckunterschiedes zwischen den Sensoren 100 und 102 über eine Zeitperiode entsprechend allgemein der Abschaltperiode, beispielsweise 1 bis 5 Sekunden, bestimmt. Das Anodenbypassventil 31 wird als richtig geschlossen betrachtet, solange die folgende Beziehung erreicht ist: Druck (100) – Druck (102)_t=0 >> Druck(100) – Druck (102)_t=1, wobei: t = 0 der Zeitpunkt vor der Bewegung des Anodenbypassventiles ist (Strömung durch den Stapel) und t = 1 der Zeitpunkt ist, nachdem das Anodenbypassventil entsprechend der Strömungsumgehung des Stapels geschlossen sein sollte. Es sei zu verstehen, daß der Zeitpunkt t = 0 der Einleitung einer Abschaltanweisung oder dem Zeitpunkt gerade vor oder unmittelbar nach einer Einleitung der Abschaltanweisung entspricht.
Wenn sich der Druckunterschied zwischen dem Anodeneinlaß und dem Anodenauslaß, wie durch die Drucksensoren gemessen ist, nicht während der erwarteten Abschaltzeitperiode grob ausgleicht, betrachtet die Systemsteuerung das Anodenbypassventil als betriebsunfähig oder als nicht geschlossen und weist das System zu einer Schnellabschaltung an, wie unter Bezugnahme auf die 2A beschrieben ist.
Bei der Schnellabschaltung, um eine Schädigung des Stapels 22 von dem nun CO-reichen H₂-Reformat zu verhindern, das von der H₂-Versorgung kommt, besteht das Ziel darin, dieses CO-reiche H₂ so schnell wie möglich von dem Stapel zu entlüften. Gemäß dieser Aufgabe öffnen sich bei der Erfindung in 6 die schnell wirkenden Entlüftungsventile 80 und 82, um das CO-reiche Reformat von dem Stapel an die brennbare Entlüftung 84 zu entlüften. Die Offenstellung ist in 6 durch die offenen Kreise dargestellt, die den Ort der schnell wirkenden (schnellen) Entlüftungsventile 80 und 82 angeben. Dies beseitigt die Gefahr einer CO-Schädigung des Stapels. In 6 sind die Bypassventile 31 und 32 vollständig geschlossen, d. h. sie haben das H₂-Reformat und die Luft vollständig von dem Brennstoffzellenstapel 22 umgelenkt und sind nun durch Leitungen 20a bzw. 24a nur zu dem Brenner 34 offen. Optional kann zur Beseitigung längerer Druckunterschiede über den Stapel, die durch die Entlüftung des Anodeneinlasses erzeugt werden, eine schnell wirkende Entlüftung 86 an die Oxidationsmittelentlüftung 88 entlüftet werden, um den Druck von der Kathodenseite des Stapels zu entlasten. Gemäß einer Erfindung, die Gegenstand der ebenfalls anhängigen Anmeldung ist, die am 11. Februar 2000 mit der Seriennummer 09/502,640 (H-205764) eingereicht wurde und dem Anmelder dieser Anmeldung gehört, kann das Entlüftungsventil 86 entlüftet werden, nachdem das Kathodenbypassventil 32 vollständig geschlossen ist, um so die Strömung an Kühlluft zu dem Brenner während der Schnellabschaltung nicht zu behindern.
In 7 ist das Brennstoffzellensystem von 1 mit dem Zusatz der Drucksensoren 100, 102 und schnell wirkenden Schnellentlüftungen 80, 82 gezeigt. Mit dem Drucksensor und der Entlüftungsventilanordnung von 7 kann das Brennstoffzellensystem auf ein richtiges Schließen des Anodenbypassventiles 31 durch die Steuerung 150 und durch Verwendung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht werden.
Obwohl der Hauptzweck der Erfindung darin besteht, den Anodeneinlaß während einer normalen Abschaltung zu entlüften, wenn das Anodenbypassventil beim Schließen versagt, ist ein anderes wichtiges Merkmal die Fähigkeit der Steuerung, in dem Falle einer Betriebsunfähigkeit des Anodenbypasses einen Diagnoseflag zu setzen. Demgemäß kann, wenn das System in eine Schnellabschaltung angewiesen wird, der Bediener schnell die Ursache bestimmen, wie beispielsweise die Betriebsunfähigkeit des Anodenbypassventiles während einer normalen Abschaltung.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Brennstoffzellensystem beschrieben worden ist, wie in den 1 und 7 gezeigt ist, ist selbstverständlich zu verstehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Brennstoffzellensystemanordnungen unter Verwendung einer Anodenbypassventileinrichtung angewendet werden kann. In 7 sind die Drucksensoren 100 und 102 als Zusätze für ein existierendes System gezeigt. Brennstoffzellensysteme, die Drucksensoren an diesen Orten umfassen, um lediglich als eine Gesamtdruckdiagnose zu dienen, sind gemäß der Erfindung so verwendbar, daß die Signale von diesen Drucksensoren durch die Systemsteuerung für die erfindungsgemäße Anodenbypassüberwachung durch Neuprogrammierung der Steuerung verwendet werden können, um den Druckunterschied zwischen diesen gemäß der oben dargelegten Formel zu überwachen. Diese und andere Abweichungen und Modifikationen von dem hier veranschaulichten spezifischen Beispiel sind für Fachleute offensichtlich.

Claims

Verfahren zur Detektion eines Abschaltzustands während einer Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneinlaß und einen Anodenauslaß aufweist, mit den folgenden Schritten, daß: ein Anodenbypassventil in Verbindung mit dem Anodeneinlaß und eine Steuerung vorgesehen wird, die die Drücke an dem Anodeneinlaß und dem Anodenauslaß bestimmen kann; die Anodeneinlaß- und -auslaßdrücke erfaßt werden, wenn eine Abschaltung eingeleitet wird und ein erster Druckdifferenzwert erzeugt wird; der Druck an dem Anodeneinlaß und -auslaß zu einem Zeitpunkt erfaßt wird, nachdem die Steuerung eine Abschaltweisung erteilt hat und ein zweiter Druckdifferenzwert erzeugt wird; und der erste Druckdifferenzwert mit dem zweiten Druckdifferenzwert verglichen wird, und, wenn der erste Druckdifferenzwert den zweiten Druckdifferenzwert nicht um eine vorbestimmte Größe überschreitet, eine Schnellabschaltung ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Auslösung der Schnellabschaltung umfaßt, daß der Anodeneinlaß des Brennstoffzellenstapels sofort entlüftet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Druckdifferenzwerte während einer Zeitperiode überwacht werden, für die während der Abschaltung die Bewegung des Anodenbypassventils von einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung erwartet wird, und wobei die Schnellabschaltung ausgelöst wird, wenn der Druckdifferenzwert im Verlauf dieser Zeitperiode angestiegen ist.