DE102006031873B4

DE102006031873B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Verbesserung der Systemstabilität des Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102006031873B4
Application number: DE102006031873A
Authority: DE
Inventors: Abdullah B. Alp; Joe Machuca
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: DE102006031873A1; US20070015017A1; US7695844B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), mit:
einem Brennstoffzellenstapel (12);
einem Ablassventil (14) zum Ablassen von Stickstoff von einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12);
einem Spülventil (16) zum Druckmindern der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12); und
einer Steuereinheit (18) zur Steuerung des Betriebs des Ablassventils (14) und des Spülventils (16), wobei die Steuereinheit (18) das Ablassventil (14) periodisch öffnet und schließt, um den Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu entfernen, bis das Ablassventil (14) in einer offenen Stellung beibehalten wird, wenn der Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) einen vorbestimmten Prozentsatz überschritten hat, wobei die Steuereinheit (18) dann zusätzlich das Spülventil (16) öffnet, um den Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu entfernen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels, die die Verwendung sowohl eines Ablassventils als auch eines Spülventils umfassen, um den Stickstoff zu entfernen.
Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein 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 Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heute Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen.
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 Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung von katalysatorschädigenden Bestandteilen wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor gedrängt wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel ver braucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die MEAs sind porös und ermöglichen somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels hindurchdringen und sich in der Anodenseite ansammeln kann, was in der Industrie als Stickstoffübergang bezeichnet wird. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, so dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz ansteigt, wie 50%, der Brennstoffzellenstapel instabil wird und ausfallen kann.
Um Stickstoff von der Anodenseite entfernen zu können, kann ein Ablassventil an dem Anodengasausgang des Brennstoffzellenstapels vorgesehen werden. Der abgelassene Wasserstoff kann an einen beliebigen Ort geliefert werden, wie einen Brenner oder den Kathodeneingang zu dem Stapel. Es ist in der Technik auch bekannt, ein Spülventil an dem Anodengasaus gang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um die Anodenseite für eine schnelle Systemabschaltung druckzumindern und den Druck der Anodenseite zu verringern, wenn dieser erheblich über den Druck der Kathodenseite ansteigt. Das Spülventil wird selektiv geöffnet, da es einen Druckabfall zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite erzeugt, was die Stapellebensdauer verringern könnte. Das Ablassventil besitzt eine wesentlich kleinere Öffnung als das Spülventil, so dass ein Öffnen des Ablassventils keine größere Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite erzeugt, was die Lebensdauer des Stapels reduzieren könnte.
Ein Steuermodell wird dazu verwendet, um das Öffnen des Ablassventils beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu steuern und damit die Konzentration des Stickstoffs unterhalb des gewissen Prozentsatzes zu halten. Wenn der Brennstoffzellenstapel altert, nimmt der Übergang von Stickstoff von der Kathodenseite zu der Anodenseite als Folge einer Degradation der MEAs zu. Das Steuermodell beobachtet die Zunahme des Stickstoffübergangs und steuert das Ablassventil demgemäß, um die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite zu reduzieren. Jedoch wird, wenn schließlich der Brennstoffzellenstapel genug gealtert ist, wobei das Ablassventil in einer konstant offenen Position gehalten wird, nicht ausreichend Stickstoff entfernt. Daher kann der Brennstoffzellenstapel als Folge einer Verdünnung des Wasserstoffs ausfallen. Es ist nicht erwünscht, ein Ablassventil vorzusehen, das eine größere Öffnung besitzt, da der zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite erzeugte Druckabfall, wenn das Ablassventil offen ist, auch dahingehend wirken würde, die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerstrategie offenbart, um Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels zu entfernen. Die Steuerstrategie umfasst, dass ein Ablassventil verwendet wird, um den Stickstoff beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu entfernen, bis der Stapel bis zu einem Punkt altert, an dem das Ablassventil offen gehalten wird, jedoch die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Stapels weiterhin ansteigt. Sobald die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite bis zu einem vorbestimmten Niveau anstiegen ist, wird dann ein Spülventil in Kombination mit dem Ablassventil geöffnet, um die Konzentration von Stickstoff zu verringern. Sobald die Stickstoffkonzentration unter das Niveau verringert ist, werden dann beide Ventile geschlossen und die Abfolge wird wiederholt, bis die Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Stapels, die durch Öffnen des Spülventils erzeugt wird, bewirkt, dass der Brennstoffzellenstapel ausfällt.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems mit einer Technik zur Steuerung eines Ablassventils und eines Spülventils zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ist eine Ansicht der Steuerstrategie, die zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite des Stapels verwendet wird, gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anode bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein Ablassventil 14 zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 und ein Spülventil 16, um eine schnelle Druckminderung der Anodenseite des Stapels 12 für die oben beschriebenen Zwecke vorzusehen. Die Ventile 14 und 16 sind als elektromagnetisch gesteuerte Ventile gezeigt. Jedoch kann jedes für die hier beschriebenen Zwecke geeignete Ventil verwendet werden. Die Ventile 14 und 16 sind normalerweise an einer Ausgangsseite der Anodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen. Obwohl die Ventile 14 und 16 hier in separaten Ausgangsleitungen von dem Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt sind, wird ihre Position in oder relativ zu dem Brennstoffzellenstapel 12 durch die Konstruktion des Stapels 12 bestimmt, wie für Fachleute gut verständlich ist.
Eine Steuereinheit 18 steuert das Öffnen und Schließen des Ablassventils 14, um den Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu entfernen. Wie oben beschrieben ist, wird ein Steuermodell verwendet, um das Ablassventil 14 beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 aufgrund seiner Alterung periodisch zu öffnen. Die Steuereinheit 18 öffnet das Spülventil 16, um die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 bei einer Schnellabschaltung des Systems 10 schnell zu spülen, oder aus anderen Gründen einer Druckminderung der Anodenseite.
Gemäß der Erfindung wird auch das Spülventil 16 dazu verwendet, Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 beim Normalbetrieb des Stapels 12 zu entfernen, wenn das Ablassventil 14 nicht mehr in der Lage ist, den Stickstoff schnell genug zu entfernen. Insbesondere wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 eine vorbestimmte Alterung erreicht, das Ablassventil 14 in der offenen Stellung beibehalten, jedoch nimmt die Ansammlung des Stickstoffs in der Anodenseite des Stapels 12 weiterhin zu.
2 ist ein Blockschaubild, das eine Steuerstrategie der Erfindung zeigt, um das Spülventil 16 in Kombination mit dem Ablassventil 14 zu verwenden, um damit Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu entfernen. Die Steuereinheit 18 sieht ein high-Signal auf der Leitung 26 vor, wenn das Ablassventil 14 offen ist. Zusätzlich sieht die Steuereinheit 18 ein high-Signal auf der Leitung 28 vor, um anzufordern, dass das Ablassventil 14 geöffnet wird, da das Stickstoffniveau immer noch zu hoch ist. Die Signale auf den Leitungen 26 und 28 werden an ein UND-Gatter 30 oder eine andere geeignete Vorrichtung angelegt. Wenn das Ablassventil 14 offen ist und die Steuereinheit 18 auch anfordert, dass das Ablassventil 14 geöffnet wird, da nicht ausreichend Stickstoff von der Anodenseite entfernt wird, dann gibt das UND-Gatter 30 ein high-Signal aus.
Die Steuereinheit 18 liefert auch ein Signal auf Leitung 32 an einen Komparator 34, das den Prozentsatz von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 angibt. Der Prozentsatz basiert auf dem Systemmodell, wie oben beschrieben ist, abhängig von der Alterung des Stapels 12, wie oft das Ablassventil 14 geöffnet worden ist, und auf Grundlage anderer Faktoren. Eine Leitung 36 ist mit einem vorbestimmten Prozentsatz fest verdrahtet, der eine maximal zulässige Menge an Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 repräsentiert, oberhalb der bewirkt wird, dass der Stapel 12 instabil wird. Der vorbestimmte Prozentsatz basiert auf der jeweiligen Stapelkonstruktion und liegt wahrscheinlich im Bereich von 40% bis 60%. Wenn der Prozentsatz des Stickstoffs in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12, der an der Leitung 32 vorgesehen wird, auf oder über den eingestellten Prozentsatz an der Leitung 36 ansteigt, dann wird der Ausgang des Komparators 34 high.
Die Ausgänge von dem UND-Gatter 30 und dem Komparator 34 werden an ein UND-Gatter 38 angelegt. Wenn beide Eingänge zu dem UND-Gatter 38 high sind, wird der Ausgang des UND-Gatters 38 high, was bewirkt, dass die Steuereinheit 18 das Spülventil 16 öffnet, um den Stickstoff zu entfernen. Sobald die Konzentration des Stickstoffs in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 unter den vorbestimmten Prozentsatz an der Leitung 32 abnimmt, wird dann der Ausgang zu dem UND-Gatter 38 low, was zur Folge hat, dass der Controller 18 das Spülventil 16 schließt. Das Ablassventil 14 wird auch geschlossen, da die Anforderung auf der Leitung 28 ebenfalls low wird. Die Abfolge wird wiederholt, wenn die Konzentration von Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 wiederum zunimmt.
Die Verwendung des Spülventils 16, um Wasserstoff von der Anodenseite zu entfernen, erzeugt einen erheblichen Druckabfall über die MEAs, was die Lebensdauer der MEAs verringert. Jedoch befindet sich zu der Zeit, in der das Spülventil 16 erforderlich ist, um die Entfernung des Stickstoffs zu unterstützen, der Stapel 12 nahezu am Ende seiner Lebensdauer. Die Verwendung des Spülventils 16, um das Entfernen des Stickstoffs zu unterstützen, kann den Vorteil haben, einige Stunden an Stapellebensdauer zusätzlich bereitzustellen, um zu verhindern, dass der Fahrzeugbediener liegen bleibt, was manchmal als Heimschleichen bezeichnet wird. Auch sind durch die Verwendung des Spülventils 16 zu diesem Zweck keine zusätzlichen Komponenten erforderlich, um die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 in Ansprechen auf einen Stickstoffübergang zu erhöhen.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen hierin ohne Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), mit: einem Brennstoffzellenstapel (12); einem Ablassventil (14) zum Ablassen von Stickstoff von einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12); einem Spülventil (16) zum Druckmindern der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12); und einer Steuereinheit (18) zur Steuerung des Betriebs des Ablassventils (14) und des Spülventils (16), wobei die Steuereinheit (18) das Ablassventil (14) periodisch öffnet und schließt, um den Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu entfernen, bis das Ablassventil (14) in einer offenen Stellung beibehalten wird, wenn der Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) einen vorbestimmten Prozentsatz überschritten hat, wobei die Steuereinheit (18) dann zusätzlich das Spülventil (16) öffnet, um den Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu entfernen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (18) sowohl das Ablassventil (14) als auch das Spülventil (16) schließt, nachdem das Spülventil (16) geöffnet ist, um den Stickstoff zu entfernen, und wenn der Prozentsatz des Stickstoffs in der Anodenseite unter den vorbestimmten Prozentsatz fällt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (18) ein Modell verwendet, um zu bestimmen, wann das Ablassventil (14) geöffnet und geschlossen werden soll und wann das Spülventil (16) verwendet werden soll, um eine Entfernung des Stickstoffs zu unterstützen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Modell die Alterung des Brennstoffzellenstapels (12) verwendet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Ablassventil (14) eine kleinere Ventilöffnung als das Spülventil (16) besitzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Prozentsatz 40% bis 60% beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei sich das Brennstoffzellensystem (10) in einem Fahrzeug befindet.
Verfahren zum Entfernen von Stickstoff von einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Ablassventil (14) verwendet wird, um den Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu entfernen; und ein Spülventil (16) verwendet wird, um eine Entfernung des Stickstoffs von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu unterstützen, wenn das Ablassventil (14) nicht in der Lage ist, ausreichend Stickstoff von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verwenden des Spülventils (16) umfasst, dass das Spülventil (16) verwendet wird, wenn das Ab lassventil (14) in einer offenen Stellung gehalten ist und der Prozentsatz von Stickstoff in der Anodenseite über einen vorbestimmten Prozentsatz hinaus ansteigt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der vorbestimmte Prozentsatz 40% bis 60% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend, dass ein Modell verwendet wird, um zu bestimmen, wann das Ablassventil (14) geöffnet und geschlossen werden soll und wann das Spülventil (16) verwendet werden soll, um die Entfernung des Stickstoffs zu unterstützen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Modell die Alterung des Brennstoffzellenstapels (12) verwendet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) Teil eines Brennstoffzellenmotors in einem Fahrzeug ist.