DE102005018070A1

DE102005018070A1 - Verfahren zur Echtzeitüberwachung und Steuerung der Kathodenstöchiometrie in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102005018070A1
Application number: DE102005018070A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Fuss; Robert N. Carter; Bruce J. Clingerman
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US20050233182A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, das einen Sauerstoffsensor zum Messen der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel verwendet. Ein Controller liefert ein Signal, das einen Kompressor antreibt, der Luft an einen Kathodeneingang des Stapels liefert, so dass der Kompressor den gewünschten Sauerstoff bereitstellt, um das gewünschte Kathodenlambda zu erreichen. Bei einer Ausführungsform verwendet das Brennstoffzellensystem auch einen Luftdurchflussmesser, der die Menge an Luft, die an den Kompressor angelegt wird, misst. Der Controller vergleicht den an den Stapel angelegten Sauerstoffeingang mit dem von dem Stapel ausgegebenen Sauerstoff zu Diagnosezwecken, wie beispielsweise der Bestimmung der Anwesenheit von Lecks. Ein Temperatursensor kann verwendet werden, um die Temperatur des Kathodenaustrags zu messen, und ein Drucksensor kann verwendet werden, um den Druck des Kathodenaustrags zu messen, um damit Wasserdampf in dem Kathodenaustrag zu kompensieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein eine Technik zum Steuern der Kathodenstöchiometrie in einem Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das einen Sauerstoffsensor an dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels verwendet, um eine Steuerung der Kathodenstöchiometrie vorzusehen.

Wasserstoff stellt einen sehr attraktiven Brennstoff dar, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Antriebs- bzw. Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sau erstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die 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. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.

Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die Kombination aus Anode, Kathode und Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Die MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung von Katalysator schädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).

Typischerweise werden viele Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas als eine Luftströmung auf, die typischerweise durch den Stapel über einen Kompressor oder eine andere Luftliefervorrichtung gedrängt wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff in der Luft von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Wasserstoffanodeneingangsgas auf, das sich mit der Luft kombiniert, um Leistung zu erzeugen, wie oben beschrieben wurde.

Der Brennstoffzellenstapel muss eine bestimmte Leistung abgeben, um die gewünschte Arbeit vorsehen zu können. Die Menge an Sauerstoff in der Luft, die an die Kathode geliefert wird, bezüglich der Menge an Sauerstoff, die der Stapel verbraucht, um die Energieanforderung zu erfüllen, wird als Kathodenluftstöchiometrie oder Kathodenlambda bezeichnet. Insbesondere ist das Kathodenlambda die Menge an Sauerstoff, die an den Stapel geliefert wird, geteilt durch die Menge an Sauerstoff, die von dem Stapel verbraucht wird. Einige Brennstoffzellensysteme arbeiten über die gesamte Leistungsabgabe des Systems mit einem konstanten Kathodenlambda. Andere Brennstoffzellensysteme arbeiten für verschiedene Leistungsabgaben bei verschiedenen Kathodenlambdas.

Je größer der an den Kathodeneingang angelegte Luftdurchfluss ist, um so mehr Sauerstoff wird an den Stapel angelegt. Es ist üblich, eine zusätzliche Luftströmung an die Stapelkathode zu liefern, um damit sicherzustellen, dass alle Kathodenreaktionsstellen eine angemessene Sauerstoffkonzentration erhalten. Daher ist zusätzlicher Sauerstoff, der von dem Stapel nicht verbraucht wird, beispielsweise 40 %, erforderlich, um die Abgabeleistung des Stapels vorzusehen. Wenn mehr Luft an den Stapel als nötig angelegt wird, müssen der Kompressor und andere Brennstoffzellensystemkomponenten härter arbeiten, als es notwendig ist, um die gewünschte Leistungsabgabe zu erzielen, wodurch der Systemwirkungsgrad verringert wird. Daher ist es erwünscht, die richtige Menge an Eingangsluft zu dem Stapel zu liefern, die durch das Kathodenlambda bestimmt ist. Die innere Dynamik des Betriebs des Brennstoffzellenstapels bestimmt, wie groß das richtige Kathodenlambda für eine bestimmte Leistungsabgabe ist.

In der Technik ist es bekannt, einen Luftdurchflussmesser zu verwenden, der den an den Kompressor angelegten Luftdurchfluss misst, um die Menge an Sauerstoff zu bestimmen, die an den Stapel angelegt wird. Es ist auch bekannt, einen Strommesser zu verwenden, der den Stromausgang des Stapels misst. Die Kombination des an den Stapel angelegten Sauerstoffs und des von dem Stapel ausgegebenen Stroms kann dazu verwendet werden, das Kathodenlambda zu bestimmen, mit dem das System gegenwärtig arbeitet. Ein Controller betreibt den Kompressor mit der Solldrehzahl oder dem Solldrehmoment, um das richtige Kathodenlambda zu erreichen.

Die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems wird oftmals unter Laborbedingungen durch einen Prüfstand bewertet. Bei dem Prüfstandbewertungsprozess wird die Kathodenstöchiometrie allgemein durch ein Mengendurchflusssteuerventil (MFCV (engl. "mass flow control valve")) gesteuert, das Luft zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zumisst. Das MFCV kann so kalibriert werden, um eine genaue Luftströmung vorzusehen, und stellt somit eine bekannte Kathodenstöchiometrie sicher, während seine Kalibrierung gültig bleibt. Jedoch ist ein Problem beobachtet worden, da bekannte MFCV-Vorrichtungen dazu neigen, ihre Kalibrierung mit der Zeit zu verlieren, was zu einer ungenauen Steuerung der Kathodenstöchiometrie führt.

Eine Überwachung des MFCV-Betriebs ist entweder durch periodische Überprüfungen seiner Kalibrierung oder durch Messung des Kathodenaustrags mit einem Gaschromatograph während des Stapelbetriebs und anschließend einer Berechnung der Stöchiometrie gemäß der folgenden Gleichung erreicht worden:

wobei

die molare Gaskonzentration von Sauerstoff in dem Kathodenaustrag ist.

Während die Gaschromatgraphmessungen genaue Ergebnisse vorsehen können, benötigt dieser Typ der Analyse mehrere Minuten, was die Gasanalyse während eines Übergangs verhindert. Zusätzlich ist es etwas umständlich, diese Analyse auszuführen, während die Brennstoffzelle betrieben wird, und erfordert somit die Verwendung von Probenflaschen, die die erhebliche Gefahr eines Bedienerfehlers bei der Messung der Sauerstoffkonzentration einführen.

Eine andere bekannte Technik zum Überwachen einer Kathodenstöchiometrie mit einem schnelleren Zeitmaßstab in einer Prüfstandumgebung umfasst die Verwendung entweder eines Massenspektrometers oder eines paramagnetischen Sauerstoffanalysators, die in dem Kathodenaustrag positioniert sind. Diese beiden Techniken können dazu verwendet werden, den Sauerstoffgehalt in dem Kathodenaustrag zu quantifizieren und haben Ansprechzeiten von mehreren Sekunden. Jedoch hat der Massenspektrometer den Nachteil, dass er ein ziemlich teures Instrument ist und eine häufige Kalibrierung erfordert, um genaue quantitative Messungen vorzusehen. Der paramagnetische Analysator ist etwas weniger teurer als der Massenspektrometer, jedoch äußerst empfindlich gegenüber Expositionen zu flüssigem Wasser, das ein Nebenprodukt in dem Kathodenaustrag darstellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Sauerstoffsensor zum Messen der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenaustrag von dem Brennstoffzellenstapel verwendet. Der Prozentsatz von Sauerstoff in dem Kathodenaustragsgas steht direkt in Bezug zu dem Kathodenlambda. Ein Controller wandelt die Sauerstoffkonzentration in das Kathodenlambda um. Bei einer Ausführungsform betreibt der Controller einen Kompressor, der Luft an einen Kathodeneingang des Stapels liefert, so dass der Kompressor den gewünschten Sauerstoff liefert, um das gewünschte Kathodenlambda zu erzielen. Das Brennstoffzellensystem kann einen Luftdurchflussmesser verwenden, der den an den Kompressor angelegten Luftdurchfluss misst. Der Controller vergleicht den an den Stapel angelegten Luftdurchfluss mit dem von dem Stapel ausgegebenen Sauerstoff zu Diagnosezwecken, wie beispielsweise bei der Bestimmung der Anwesenheit von Lecks.

Die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellensystemen wird manchmal durch einen Brennstoffzellenprüfstand bewertet. Ein Sauerstoffsensor kann auch in dem Prüfstand zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenaustrag von dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden. Ein MFCV wird verwendet, um das Kathodengas zu dem Brennstoffzellen stapel zuzumessen. Der Sauerstoffsensor liefert ein Signal an einen Systemcontroller, das die Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenaustrag angibt, und der Systemcontroller steuert das MFCV, so dass die richtige Menge an Luft für die gewünschte Kathodenstöchiometrie in den Brennstoffzellenstapel eingeführt wird.

Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Wasserabscheider bzw. Wasserseparator, der in dem Kathodenaustrag oberstromig des Sauerstoffsensors positioniert ist, um Wasser von dem Kathodenaustrag zu entfernen. Die Temperatur des Kathodenaustrags wird durch einen Temperatursensor gemessen, und der Druck des Kathodenaustrags wird durch einen Drucksensor gemessen. Ausgangssignale von dem Temperatursensor und dem Drucksensor werden an den Controller geliefert, um den Wassergehalt des Kathodenaustrags zu berechnen, bevor dieser von dem Sauerstoffsensor gemessen wird.

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaubild mit einer Kathodenluftstöchiometrie an der horizontalen Achse und dem prozentualen Sauerstoff in dem Kathodenaustrag an der vertikalen Achse, das die Beziehung der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas eines Brennstoffzellenstapels zu der Kathodensauerstoffstöchiometrie zeigt;
2 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems, das einen Sauerstoffsensor zur Bestimmung der Kathodenstöchiometrie verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems, das ein Mengendurchflusssteuerventil in dem Kathodeneingang zu dem Brennstoffzellenstapel und einen Sauerstoffsensor in dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels verwendet, um die Kathodenstöchiometrie zu steuern, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems, das ein Mengendurchflussteuerventil in dem Kathodeneingang zu dem Brennstoffzellenstapel und einen Sauerstoffsensor, einen Temperatursensor, einen Drucksensor und einen Wasserdampfabscheider in dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels zur Steuerung der Kathodenstöchiometrie verwendet, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das einen Sauerstoffsensor in dem Kathodenaustrag zur Steuerung der Kathodenstöchiometrie verwendet, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Beispielsweise besitzt das hier beschriebene Brennstoffzellensystem Anwendung zum Fahrzeugvortrieb. Jedoch sei für Fachleute angemerkt, dass das Brennstoffzellensystem der Erfindung eine wesentlich breitere Anwendung für andere Systeme besitzt, die Brennstoffzellen verwenden, wie beispielsweise stationäre Energiesysteme.
1 ist ein Schaubild mit einer Kathodensauerstoffstöchiometrie (Kathodenlambda) an der horizontalen Achse und dem prozentualen Sauerstoff in dem Kathodenaustrag an der vertikalen Achse, das die Beziehung der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenaustragsgas eines Brennstoffzellenstapels zu seinem Kathodenlambda zeigt. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, kann diese Beziehung dazu verwendet werden, um auf Grundlage eines Maßes des Prozentsatzes von Sauerstoff in dem Kathodenaustragsgas zu bestimmen, ob die richtige Menge an Kathodeneingangsluft an einen Brennstoffzellenstapel angelegt wird.
2 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einem Stapel aus Brennstoffzellen, wie oben beschrieben ist. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt einen Kathodenlufteingang und einen Anodenwasserstoffeingang auf, die elektrochemisch miteinander Wechselwirken, um eine Abgabeleistung zu erzeugen und damit ein Fahrzeug oder ein anderes System anzutreiben. Eine Lufteingangsleitung 14 ist an einen Kompressor 16 oder eine andere Luftliefervorrichtung angelegt, die Luft komprimiert und die komprimierte Luft auf Leitung 20 an den Kathodeneingang des Stapels 12 liefert. Der Anodeneingang des Stapels 12 ist nicht gezeigt, da er nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Das System 10 umfasst einen Luftdurchflussmesser 18, der die Luftdurchflussmenge, die an den Kompressor 16 angelegt ist, misst, wie es bei bestimmten Brennstoffzellensystemen in der Technik bekannt ist. Wie oben beschrieben ist, ist der Luftdurchflussmesser 18 in der Industrie verwendet worden, um das Kathodenlambda des Stapels 12 zu bestimmen. Jedoch ist, wie es aus der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich wird, der Luftdurchflussmesser 18 bei der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, um diese Funktion auszuführen.
Gemäß der Erfindung verwendet das System 10 einen Sauerstoffsensor 24, durch den ein Kathodenaustragsgas von dem Stapel 12 auf Leitung 26 strömt. Der Sauerstoffsensor 24 kann ein beliebiger Sauerstoffsensor sein, der zu den hier beschriebenen Zwecken geeignet ist, wie beispielsweise ein Abgassauerstoffsensor für Kraftfahrzeuge. Der Sauerstoffsensor 24 liefert ein Signal, das die Konzentration des Sauerstoffs in dem Kathodenabgas angibt, an einen Controller 28. Durch Kenntnis der Konzentration des Sauerstoffs in dem Kathodenabgas kann der Controller 28 das Kathodenlambda des Stapels 12 auf Grundlage der in 1 gezeigten Beziehung bestimmen. Der Controller 28 liefert ein Steuersignal an den Kompressor 16, um den Kompressor 16 mit der geeigneten Drehzahl anzutreiben, so dass die Sauerstoffkonzentration, die von dem Sauerstoffsensor 24 in dem Kathodenabgas gemessen wird, das gewünschte Kathodenlambda für das System 10 vorsieht. Daher kann der Sauerstoffsensor 24 den Luftdurchflussmesser 18 ersetzen, um das Kathodenlambda des Stapels 12 zu bestimmen.
Ein Gegendruckventil 30 ist in der Kathodenabgasleitung 26 vorgesehen, um den Abgabedruck des Kathodenabgases zu steuern und damit die richtige relative Feuchte in dem Stapel 12 beizubehalten, wie es in der Technik bekannt ist. Der Sauerstoffsensor 24 ist oberstromig des Ge gendruckventils 30 gezeigt. Jedoch kann bei anderen Ausführungsformen der Sauerstoffsensor 24 unterstromig des Gegendruckventils 30 positioniert sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden der Luftdurchflussmesser 18 und der Sauerstoffsensor 24 in Kombination zu Diagnosezwecken für das System 10 verwendet. Typischerweise ist der Luftdurchflussmesser 18 an dem Eingang des Kompressors 16 angebracht, da das Ausgangsgas des Kompressors 16 zu heiß für den Luftdurchflussmesser 18 ist. Somit wäre der Luftdurchflussmesser 18 nicht in der Lage, zu bestimmen, ob unterstromig von dem Luftdurchflussmesser 18 ein Luftleck vorhanden ist. Wenn ein Leck oberstromig des Stapels 12 vorhanden wäre, würde es der Controller 28 nicht erfassen, und daher würde das System 10 nicht die richtige Menge an Sauerstoff erhalten, da der Luftdurchflussmesser 18 oberstromig des Lecks positioniert wäre.
Durch Verwendung des Sauerstoffsensors 24, wie oben beschrieben ist, treibt der Controller 28 den Kompressor 16 mit der richtigen Drehzahl an, um das Leck zu kompensieren, da er den zusätzlichen Sauerstoff liefern muss, der erforderlich ist, um das gewünschte Kathodenlambda vorzusehen. Durch Verwendung des Luftdurchflussmessers 18 in Kombination mit dem Sauerstoffsensor 24 ist dem Controller 28 bekannt, dass dem Kompressor 16 der richtige Luftdurchfluss geliefert wird, um das gewünschte Kathodenlambda vorzusehen, jedoch würde der Sauerstoffsensor 24 angeben, dass das richtige Kathodenlambda bei dem vorhergesagten Luftdurchfluss nicht erreicht wird. Dies würde ein Problem in dem System 10 anzeigen, wie beispielsweise ein Leck in den Leitungen 20 oder 26 oder des Stapels 12.
Alternativ dazu kann der Controller 28 eine Kompressorkarte des Kompressors 16 auf Grundlage einer Kompressordrehzahl und dem Verhältnis von Eingangsdruck zu Ausgangsdruck des Kompressors verwenden, um das geeignete Kathodenlambda zu berechnen und diese Berechnung mit dem Ausgang von dem Sauerstoffsensor 24 zu vergleichen. Da der Controller 28 den ΔP (Deltadruck) über den Kompressor 16 kennt, ist der Controller 28 in der Lage, zu Diagnosezwecken zu bestimmen, ob ein Luftleck vorhanden ist. Wenn ein wesentlich höheres Kathodenlambda erwartet wird, wird eine Systemdiagnosewarnung ausgegeben, die eine sich verschlechternde Kompressorleistungsfähigkeit oder ein Luftleck irgendwo in dem System 10 angibt. Die Regelbeschaffenheit mit geschlossenem Regelkreis der Rückkopplung kann das Problem solange kompensieren, bis das System 10 gewartet wird.
Zusätzlich kann der Sauerstoffsensor 24 als eine Kontrolle für den Luftdurchflussmesser 18 verwendet werden. Es ist in der Technik bekannt, dass Luftdurchflussmesser, die zu diesem Zweck verwendet werden, mit der Zeit zu einer Drift neigen. Daher kann der Sauerstoffsensor 24 verwendet werden, um die Genauigkeit des Luftdurchflussmessers 18 zu bestimmen und seinen Betrieb mit der Zeit zu kompensieren.
Es ist in der Technik bekannt, einen Prüfstand in einer Laborumgebung zu verwenden, um die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels bei der Stapelkonstruktion und dergleichen zu testen. Gemäß der Erfindung kann auch ein Sauerstoffsensor in dem Prüfstandsystem zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenaustrag verwendet werden, um die Kathodenstöchiometrie zu bestimmen.
3 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 40, das in einer Prüfstandumgebung geprüft wird, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 40 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 42, der einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist, wie oben beschrieben wurde. Der Brennstoffzellenstapel 42 nimmt einen Kathodenlufteingang und einen Anodenwasserstoffeingang auf, die elektrochemisch in Wechselwirkung treten, um eine Ausgangsleistung zum Antrieb eines Fahrzeugs oder eines anderen Systems zu erzeugen. Die Kathodenladeluft an der Lufteingangsleitung 44 wird an ein Mengendurchflusssteuerventil (MFCV) 48 geliefert, das durch einen Prüfstandcontroller 50 gesteuert wird, um die richtige Menge an Ladeluft auf einer Kathodeneingangsleitung 52 zu dem Brennstoffzellenstapel 42 zu liefern. Der Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels 42 ist nicht gezeigt, da dieser nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Durch Steuerung der Ventilstellung des MFCV 48 wird die richtige Kathodenstöchiometrie an den Brennstoffzellenstapel 42 für die gewünschte Abgabeleistung zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt bereitgestellt.
Gemäß der Erfindung verwendet das System 40 einen Sauerstoffsensor 54, durch den Kathodenabgas von dem Stapel 42 auf einer Kathodenaustragsleitung 56 strömt. Der Sauerstoffsensor 54 kann ein beliebiger Sauerstoffsensor sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie beispielsweise der bekannte Abgassauerstoffsensor für Kraftfahrzeuge. Der Sauerstoffsensor 54 liefert ein Signal, das die Konzentration des Sauerstoffs in dem Kathodenabgas angibt, an einen Sauerstoffsensorcontroller 60. Der Sauerstoffsensorcontroller 60 ist eigentlich Teil des Sauerstoffsensors 54 und umfasst die Elektronik des Sensors 54, die aus der rauen Umgebung des Kathodenabgases entfernt ist. Der Sauerstoffsensorcontroller 60 bereitet das Signal von dem Sensor 54 auf und liefert ein Signal an den Prüfstandcontroller 50, das die Menge an Sauerstoff in dem Kathodenabgas angibt. Der Prüfstandcontroller 50 bestimmt auf Grundlage einer stöchiometrischen Berechnung, ob der Brennstoffzellenstapel 42 die richtige Menge an Ladeluft aufnimmt. Wenn das MFCV 48 nicht die richtige Konzentration von Ladegas an die Kathode liefert, steuert der Prüfstandcontroller 50 die Ventilstellung des MFCV 48 demgemäß, so dass die Menge an Sauerstoff in der Kathodenaustragsleitung für die richtige Ladeluftstöchiometrie, die an den Brennstoffzellenstapel 42 angelegt wird, repräsentativ ist.
In dem System 40 wird die relative Feuchte (RF) an dem Analysepunkt angenommen. Diese Annahme kann, muss jedoch nicht genau sein. Es ist möglich, dass Wasserdampf in dem Kathodenaustrag den Partialdruck von Sauerstoff in dem Abgas erheblich beeinflusst. Daher sollte, um den tatsächlichen Sauerstoffgehalt in dem Kathodenabgas genau zu erhalten, die relative Feuchte des Abgases bestimmt werden. 4 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 64 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das die relative Feuchte des Abgases korrigiert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird das Kathodenabgas durch einen Wasserdampfabscheider 66 vor einer Lieferung an den Sauerstoffsensor 54 geliefert, um das flüssige Wasser daraus zu entfernen. Jedoch ist das Abgas bei der Temperatur und dem Druck, bei denen es den Wasserabscheider 66 verlässt, mit Wasserdampf gesättigt.
Ein Temperatursensor 68 misst die Temperatur des Kathodenabgases zwischen dem Wasserabscheider 66 und dem Sauerstoffsensor 54 und liefert ein Signal, das die Temperatur angibt, an den Prüfstandcontroller 50. Ähnlicherweise misst ein Drucksensor 70 den Druck des Kathodenabgases zwischen dem Wasserdampfabscheider 66 und dem Sauerstoffsensor 54 und liefert ein Signal des Drucks an den Prüfstandcontroller 50. Der Temperatursensor 68 kann ein beliebiger Temperatursensor sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie beispielsweise ein Thermoelement. Ähnlicherweise kann der Drucksensor 70 ein beliebiger Drucksensor sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie beispielsweise ein Druckwandler. Der Prüfstandcontroller 50 verwendet diese Messungen, um den Wassergehalt des Abgases zu berechnen und den Einfluss zu korrigieren, den dieses auf den Partialdruck von Sauerstoff hat. Durch Bestimmung der Temperatur und des Drucks des Kathodenabgases kann der Prüfstandcontroller 50 die relative Feuchte oder den Wassergehalt des Abgases bestimmen, um eine richtige Messung der Kathodenstöchiometrie vorzusehen.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute ist aus der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht zu erkennen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneingang, der ein Kathodeneingangsgas aufnimmt, und einem Kathodenausgang, der ein Kathodenabgas ausgibt; einem Sauerstoffsensor, der auf das Kathodenabgas anspricht, wobei der Sensorstoffsensor ein Sensorsignal erzeugt, das die Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas angibt; und einem Systemcontroller, der auf das Sensorsignal von dem Sauerstoffsensor anspricht, wobei der Controller die Strömung des Kathodeneingangsgases, das an den Stapel angelegt wird, steuert, um ein gewünschtes Kathodenlambda vorzusehen.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Kompressor, wobei der Kompressor auf einen Lufteingang anspricht und das Kathodeneingangsgas an den Stapel ausgibt, wobei der Controller den Kompressor betreibt, um die gewünschte Stöchiometrie von Sauerstoff in der Kathode vorzusehen.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Luftdurchflussmesser, wobei der Luftdurchflussmesser auf das Kathodeneingangsgas anspricht und ein Luftdurchflusssignal liefert, das die Strömung des Kathodeneingangsgases an den Stapel angibt, wobei der Controller auf das Luftdurchflusssignal anspricht.
System nach Anspruch 3, wobei der Controller eine Kombination des Sensorsignals und des Luftdurchflusssignals verwendet, um zu bestimmen, ob zwischen dem Luftdurchflussmesser und dem Sauerstoffsensor ein Leck vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Gegendruckventil, das auf das Kathodenabgas anspricht, wobei der Sauerstoffsensor zwischen dem Stapel und dem Gegendruckventil oder unterstromig des Gegendruckventils positioniert ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsensor vom Kraftfahrzeugtyp ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Wasserdampfabscheider, der auf das Kathodenabgas oberstromig des Sauerstoffsensors anspricht, wobei der Wasserdampfabscheider Wasserdampf von dem Kathodenabgas entfernt.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Kathodenabgases, wobei der Temperatursensor ein Signal an den Systemcontroller liefert, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Drucksensor zum Messen des Drucks des Kathodenabgases, wobei der Drucksensor ein Signal, das den Druck angibt, an den Systemcontroller liefert, um eine Be stimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller eine Kompressorkarte auf Grundlage einer Kompressordrehzahl und eines Verhältnisses von Eingangsdruck zu Ausgangsdruck des Kompressors verwendet, um eine Bestimmung des Kathodenlambdas zu unterstützen.
System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug oder einer stationären Energieversorgung ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem mit einem Prüfstand verbunden ist.
System nach Anspruch 12, ferner mit einem Mengendurchflusssteuerventil, wobei der Controller die Ventilstellung des Mengendurchflusssteuerventils steuert, um das gewünschte Kathodenlambda vorzusehen.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneingang, der ein Kathodenlufteingangsgas aufnimmt, und einem Kathodenausgang, der ein Kathodenabgas ausgibt; einem Sauerstoffsensor, der auf das Kathodenabgas anspricht, wobei der Sauerstoffsensor ein Sensorsignal erzeugt, das die Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas angibt; einem Kompressor, wobei der Kompressor auf einen Lufteingang anspricht und das Kathodeneingangsgas an den Stapel ausgibt; und einem Systemcontroller, wobei der Controller auf das Sensorsignal von dem Sauerstoffsensor anspricht, wobei der Controller den Kompressor betreibt, um eine gewünschte Konzentration von Sauerstoff in dem Kathodenausgangsgas vorzusehen.
System nach Anspruch 14, ferner mit einem Luftdurchflussmesser, wobei der Luftdurchflussmesser auf den Lufteingang oder das Kathodeneingangsgas anspricht und ein Luftdurchflusssignal liefert, das den Durchfluss des Kathodeneingangsgases zu dem Stapel angibt, wobei der Controller auf das Luftdurchflusssignal anspricht.
System nach Anspruch 15, wobei der Controller eine Kombination des Sensorsignals und des Luftdurchflusssignals verwendet, um eine Bestimmung zu unterstützen, ob zwischen dem Luftdurchflussmesser und dem Sauerstoffsensor ein Leck vorhanden ist.
System nach Anspruch 14, ferner mit einem Gegendruckventil, das auf das Kathodenabgas anspricht, wobei der Sauerstoffsensor zwischen dem Stapel und dem Gegendruckventil oder unterstromig des Gegendruckventils positioniert ist.
System nach Anspruch 14, wobei der Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsensor vom Kraftfahrzeugtyp ist.
System nach Anspruch 14, ferner mit einem Wasserdampfabscheider, der auf das Kathodenabgas oberstromig des Sauerstoffsensors an spricht, wobei der Wasserdampfabscheider Wasserdampf von dem Kathodenabgas entfernt.
System nach Anspruch 14, ferner mit einem Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Kathodenabgases, wobei der Temperatursensor ein Signal an den Systemcontroller liefert, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
System nach Anspruch 14, ferner mit einem Drucksensor zum Messen des Drucks des Kathodenabgases, wobei der Drucksensor ein Signal, das den Druck angibt, an den Systemcontroller liefert, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodeneingang, der ein Kathodeneingangsgas aufnimmt, und einem Kathodenausgang, der ein Kathodenabgas ausgibt; einem Sauerstoffsensor, der auf das Kathodenabgas anspricht, wobei der Sauerstoffsensor ein Sensorsignal erzeugt, das die Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas angibt; einem Mengendurchflusssteuerventil zur Steuerung der Menge an Kathodeneingangsgas, das an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird; und einem Systemcontroller, wobei der Controller auf das Sensorsignal von dem Sauerstoffsensor anspricht, wobei der Controller die Ventilstellung des Mengendurchflusssteuerventils steuert, um eine gewünschte Konzentration von Sauerstoff in dem Kathodenabgas vorzusehen.
System nach Anspruch 22, wobei der Sauerstoffsensor ein Sauerstoffsensor vom Kraftfahrzeugtyp ist.
System nach Anspruch 22, ferner mit einem Wasserdampfabscheider, der auf das Kathodenabgas oberstromig des Sauerstoffsensors anspricht, wobei der Wasserdampfabscheider Wasserdampf von dem Kathodenabgas entfernt.
System nach Anspruch 22, ferner mit einem Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Kathodenabgases, wobei der Temperatursensor ein Signal an den Systemcontroller liefert, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
System nach Anspruch 22, ferner mit einem Drucksensor zum Messen des Drucks des Kathodenabgases, wobei der Drucksensor ein Signal, das den Druck angibt, an den Systemcontroller liefert, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
Verfahren zum Steuern eines Kathodenlambda eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: die Konzentration von Sauerstoff in einem Kathodenabgas von einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gemessen wird; und ein an den Brennstoffzellenstapel angelegtes Kathodeneingangsgas in Ansprechen auf die gemessene Konzentration von Sauerstoff gesteuert wird, um das gewünschte Kathodenlambda vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Steuern des Kathodeneingangsgases umfasst, dass ein Kompressor so betrieben wird, dass die richtige Menge an Luft an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, um das gewünschte Kathodenlambda vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Steuern des Kathodeneingangsgases umfasst, dass die Ventilstellung eines Mengendurchflusssteuerventils gesteuert wird, so dass die richtige Menge an Luft an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, um das gewünschte Kathodenlambda vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass ein an den Kompressor angelegter Luftdurchfluss gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend, dass aus dem gemessenen Luftdurchfluss und der gemessenen Konzentration von Sauerstoff bestimmt wird, ob ein Leck vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass Wasserdampf von dem Kathodenabgas getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass die Temperatur des Kathodenabgases gemessen wird, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 27, ferner umfassend, dass der Druck des Kathodenabgases gemessen wird, um eine Bestimmung der relativen Feuchte des Kathodenabgases zu unterstützen.