DE102007015736B4

DE102007015736B4 - Verfahren zur Steuerung der Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel

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Publication number: DE102007015736B4
Application number: DE102007015736A
Authority: DE
Inventors: Abdullah B. Alp; Victor W. Logan; John P. Salvador
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: US7740964B2; DE102007015736A1; US20070231636A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel, umfassend, dass: ein Brennstoffzellenstapel mit Kathodendurchgängen und Anodendurchgängen, die ein Ventil in Verbindung mit den Anodendurchgängen aufweisen, und einer permeablen Membran, die eine erste Seite benachbart der Kathodendurchgänge und eine zweite Seite benachbart der Anodendurchgänge aufweist, vorgesehen wird; eine Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird; eine vorbestimmte maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel mit der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel verglichen wird; und das Ventil geöffnet wird, wenn die Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel größer als die maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel ist, wobei das Berechnen der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel umfasst, dass: eine Stickstoffmenge bestimmt wird, die in die Anodendurchgänge aufgrund eines Alters des Brennstoffzellenstapels eintritt, ein Permeationskoeffizient der permeablen Membran bestimmt wird, wobei der Permeationskoeffizient die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund des Partialdrucks des Stickstoffs in die Anodendurchgänge diffundiert, und ein Auslaufratenkorrekturfaktor bestimmt wird, der der Stickstofferhöhungsrate in den Anodendurchgängen zugeordnet ist, wobei der Auslaufratenkorrekturfaktor die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund von Leckpfaden in der Membran in die Anodendurchgänge diffundiert; wobei das Bestimmen des Auslaufratenkorrekturfaktors ferner umfasst, dass: eine Umwälzpumpe in Verbindung mit den Anodendurchgängen vorgesehen wird; eine Dichte von Gasen in den Anodendurchgängen auf Grundlage der von der Umwälzpumpe verrichteten Arbeit berechnet wird; das Molgewicht der Gase in den Anodendurchgängen aus der Dichte der Gase in den Anodendurchgängen berechnet wird; ein gegenwärtiger Stickstoffanteil auf Grundlage des Molgewichts der Mischung bestimmt wird; und der gegenwärtige Stickstoffanteil von einem vorhergehenden Stickstoffanteil subtrahiert wird, um den Korrekturfaktor zu bestimmen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere ein Verfahren zur Steuerung der Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird das wasserstoffbasierte Zufuhrgas an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert und ein Oxidationsmittel an eine Kathode der Brennstoffzelle geliefert. PEM-Brennstoffzellen weisen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einem dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymermembranelektroyt auf, der auf einer seiner Seiten die Anode und auf der entgegengesetzten Seite die Kathode aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten.
Typischerweise wird atmosphärische Luft als das Oxidationsmittel in PEM-Systemen verwendet. Hauptsächlich umfasst Luft Stickstoff und Sauerstoff neben anderen chemischen Verbindungen. Wenn Luft als das Oxidationsmittel in der PEM verwendet wird, bewirkt die Kraft des Partialdrucks des Stickstoffs in der Luft über die PEM hinweg, dass ein Teil des Stickstoffs in der Luft durch die PEM in die Anode hindurch dringt. Zusätzlich können sich mit der Zeit Durchgänge in der MEA entwickeln, die eine zusätzliche Strömung von Stickstoff in die Anode erleichtern. Der Stickstoff, der in die Anode hindurch dringt, verdünnt das wasserstoffbasierte Zufuhrgas, wodurch der Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzelle reduziert wird.
Allgemein wird, um den Wirkungsgrad der PEM aufgrund des verdünnten Wasserstoffzufuhrgases zu verbessern, das stickstoffverdünnte Wasserstoffzufuhrgas von der Anode in regelmäßigen Intervallen entfernt. Typischerweise wird ein Evakuierungsventil verwendet, um zu ermöglichen, dass das verdünnte Wasserstoffzufuhrgas die Anode der PEM verlässt. Dieser Prozess resultiert jedoch in einer Verschwendung von Wasserstoffzufuhrgas, da die Menge an Stickstoff in der Anode schwer vorherzusagen ist. Demgemäß ist es erwünscht, ein System herzustellen, um die Menge an Stickstoff in dem Wasserstoffzufuhrgas genau zu bestimmen und damit die Verschwendung von Wasserstoffzufuhrgas zu reduzieren.
Herkömmliche Verfahren zur Steuerung der Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel sind aus den Druckschriften US 2005/0 181 249 A1 und WO 2004/105 169 A1 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Steuern der Konzentration von Stickstoff in einem Brennstoffzellenstapel vor. Das Verfahren umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel mit einer Kathode und einer Anode, die ein Ventil in Verbindung mit den Anodendurchgängen aufweist, vorgesehen wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine maximale Soll-Stickstoffmenge, die in dem Brennstoffzellenstapel auftritt, gewählt wird und eine Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird. Anschließend sieht das Verfahren einen Vergleich der maximalen Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel mit der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel und ein Öffnen des Ventils vor, wenn die Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel größer als die maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel ist. Das Berechnen der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel umfasst, dass eine Stickstoffmenge bestimmt wird, die in die Anodendurchgänge aufgrund eines Alters des Brennstoffzellenstapels eintritt, dass ein Permeationskoeffizient der permeablen Membran bestimmt wird, wobei der Permeationskoeffizient die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund des Partialdrucks des Stickstoffs in die Anodendurchgänge diffundiert, und dass ein Auslaufratenkorrekturfaktor bestimmt wird, der der Stickstofferhöhungsrate in den Anodendurchgängen zugeordnet ist, wobei der Auslaufratenkorrekturfaktor die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund von Leckpfaden in der Membran in die Anodendurchgänge diffundiert.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Bestimmen des Auslaufratenkorrekturfaktors, dass eine Umwälzpumpe in Verbindung mit den Anodendurchgängen vorgesehen wird, eine Dichte von Gasen in den Anodendurchgängen auf Grundlage der von der Umwälzpumpe verrichteten Arbeit berechnet wird, das Molgewicht der Gase in den Anodendurchgängen aus der Dichte der Gase in den Anodendurchgängen berechnet wird, ein gegenwärtiger Stickstoffanteil auf Grundlage des Molgewichts der Mischung bestimmt wird, und der gegenwärtige Stickstoffanteil von einem vorhergehenden Stickstoffanteil subtrahiert wird, um den Korrekturfaktor zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Bestimmen des Auslaufratenkorrekturfaktors, dass eine Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz vorgesehen wird, dass eine minimale Brennstoffzellenspannung und eine durchschnittliche Brennstoffzellenspannung bestimmt werden, dass die Differenz zwischen der durchschnittlichen Brennstoffzellenspannung und der minimalen Brennstoffzellenspannung berechnet wird, um zu einer Brennstoffzellenspannungsdifferenz zu kommen, und dass bestimmt wird, ob die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist. Das Bestimmen, ob die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist, umfasst, dass die Kathodenstöchiometrie erhöht wird, wenn die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist, und dass die Brennstoffzellenspannungsdifferenz neu berechnet wird, nachdem die Kathodenstöchiometrie erhöht wurde, und der Korrekturfaktor erhöht wird, wenn die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems ist, das einen Brennstoffzellenstapel mit einem System zur adaptiven Anodenstickstoffmanagementsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
1A eine detaillierte schematische Ansicht des Brennstoffzellenstapels von 1 entlang der Linie 1A-1A ist;
2 ein Flussdiagramm ist, das die Prozesse des Systems für adaptive Anodenstickstoffmanagementsteuerung gemäß einer von verschiedenen Ausführungsformen ausführlich darstellt;
3 ein Flussdiagramm ist, dass die Prozesse des Systems für adaptive Anodenstickstoffmanagementsteuerung gemäß einer zweiten von verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und
4 ein Flussdiagramm ist, das die Prozesse des Systems für adaptive Anodenstickstoffmanagementsteuerung gemäß einer dritten von verschiedenen Ausführungsformen zeigt, wobei die in 4 gezeigte Ausführungsform keine erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung verschiedener Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Obwohl die folgende beispielhafte Beschreibung die Verwendung einer adaptiven Anodenstickstoffmanagementsteuerung für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug betrifft, sei zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung auf andere Typen von Energieerzeugungsvorrichtungen zur Verwendung bei vielen anderen Ausstattungstypen anwendbar sein kann. Es sei ferner zu verstehen, dass, während die folgende Beschreibung die Verwendung eines Wasserstoffzufuhrgases für ein Brennstoffzellensystem betrifft, es angemerkt sei, dass zahlreiche andere Brennstoffzellen verwendet werden könnten, und ferner die vorhergehende Beschreibung so zu verstehen ist, dass sie die angefügten Ansprüche nicht beschränkt.
Bezug nehmend auf 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Versorgung für wasserstoffbasiertes Zufuhrgas oder eine Wasserstoffversorgung 12 und eine Oxidationsmittelgasversorgung 14 auf, die mit einem Brennstoffzellenstapel 16 gekoppelt sind. Ein Controller 18 steht in Verbindung mit der Wasserstoffversorgung 12, der Oxidationsmittelgasversorgung 14 und dem Brennstoffzellenstapel 16. Der Brennstoffzellenstapel 16 erzeugt elektrische Leistung zum Betrieb einer oder mehrerer elektrischer Lasten 20. Die elektrische(n) Last(en) 20 können einen Elektromotor, Lampen, Heizeinrichtungen oder einen beliebigen anderen Typ elektrisch betriebener Komponenten aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel 16 ist ferner mit einem Spülventil 22 gekoppelt.
Der Brennstoffzellenstapel 16 weist typischerweise Kathodendurchgänge 24 und Anodendurchgänge 26 auf, die durch eine Membrananordnung 28 getrennt sind. Es sei angemerkt, dass in 1A der Einfachheit halber nur eine Membrananordnung 28 gezeigt ist, wobei der Brennstoffzellenstapel 16 jedoch eine Vielzahl von Membrananordnungen 28 aufweist, wie in 1 gezeigt ist, und zwar jede mit Anoden- und Kathodendurchgängen auf entgegengesetzten Seiten derselben, wie es in der Technik bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 16 kann auch zumindest einen Zustandssensor 30 aufweisen. Die Kathodendurchgänge 24 des Brennstoffzellenstapels 16 sind mit der Oxidationsmittelgasversorgung 14 gekoppelt. Die Oxidationsmittelgasversorgung 14 dient dazu, einen sauerstoffbasierten Brennstoff, allgemein Luft, an die Kathodendurchgänge 24 zu liefern. Die Anodendurchgänge 26 sind mit der Wasserstoffversorgung 12 zur Aufnahme eines Wasserstoffzufuhrgases, wie reinem Wasserstoff, gekoppelt. Die Anodendurchgänge 26 sind ferner fluidmäßig mit dem Spülventil 22 gekoppelt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die Anodendurchgänge 26 können auch in Verbindung mit einer Umwälzpumpe 27 stehen, um eine Reaktion des Wasserstoffgases mit der Membrananordnung 28 zu unterstützen. Die Umwälzpumpe 27 kann dazu verwendet werden, eine Strömung der Anodendurchgänge 26 von einem Anodendurchgangsauslass (nicht speziell gezeigt) zurück in einen Einlass der Anodendurchgänge 26 zuzuführen, um eine Anodeneinlassbefeuchtung zu erhöhen und die Strömungsgeschwindigkeit in den Anodendurchgängen 26 zu erhöhen.
Die Membrananordnung 28 weist eine erste Seite 34, die den Kathodendurchgängen 24 ausgesetzt ist, und eine zweite Seite 36 auf, die den Anodendurchgängen 26 ausgesetzt ist. Wie es allgemein bekannt ist, umfasst die Membrananordnung 28 einen dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymermembranelektrolyt 38. Der Membranelektrolyt 38 kann schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente 40 angeordnet sein, die jeweils als Stromkollektoren für den Brennstoffzellenstapel 16 dienen. Die elektrisch leitenden Elemente 40 können geeignete Kanäle und/oder Öffnungen (nicht speziell gezeigt) definieren, die die Kathodendurchgänge 24 und die Anodendurchgänge 26 definieren, um mit einem Katalysator (nicht speziell gezeigt), der an dem Membranelektrolyt 38 angeordnet ist, in Wechselwirkung zu treten. Der Katalysator reagiert mit dem Oxidationsmittelgas von den Kathodendurchgängen 24 und dem Wasserstoffgas von den Anodendurchgängen 26, um elektrische Energie und Wasser zu erzeugen, wie es in der Technik allgemein bekannt ist. Mit der Zeit können sich aufgrund des Alters des Brennstoffzellenstapels 16 Leckpfade 44 in der Membrananordnung 28 bilden. Die Leckpfade 44 ermöglichen in Kombination mit einem luftbasierten Oxidationsmittelbrennstoff, dass zusätzliche Stickstoffmoleküle in die Anodendurchgänge 26 hindurch dringen können, wodurch der Wasserstoffbrennstoff in den Anodendurchgängen 26 verdünnt wird. Die Verdünnung des Wasserstoffbrennstoffes in den Anodendurchgängen 26 reduziert den Wirkungsgrad der Reaktion des Wasserstoffgases mit dem Katalysator, wodurch die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 16 reduziert wird.
Der Zustandssensor 30 ist in dem Brennstoffzellenstapel 16 angeordnet und dient dazu, die Bestimmung der Menge an Stickstoff in den Anodendurchgängen 26 zu unterstützen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Der Zustandssensor 30 steht in Verbindung mit dem Controller 18. Allgemein dient der Zustandssensor 30 dazu, die Temperatur, den Druck, die Spannung und verschiedene andere gewünschte Betriebszustände in dem Brennstoffzellenstapel 16 zu messen. Obwohl der Zustandssensor 30 hier als ein einzelner Erfassungsmechanismus beschrieben ist, sei zu verstehen, dass eine Vielzahl von Sensoren (nicht gezeigt) verwendet werden können, um verschiedene Charakteristiken des Brennstoffzellenstapels 16 zu messen, und sei auch zu verstehen, dass verschiedene Sensoren an einem der Kathodendurchgänge 24 oder Anodendurchgänge 26 des Brennstoffzellenstapels 16 angeordnet sein könnten, um spezifizierte Betriebszustände zu messen, wenn dies so gewünscht ist.
Das Spülventil 22 ist fluidmäßig mit den Anodendurchgängen 26 gekoppelt und steht in Verbindung mit dem Controller 18. Das Spülventil 22 ist allgemein derart ausgebildet, um die Freisetzung von Gasen von den Anodendurchgängen 26 zu ermöglichen, wenn der Controller 18 bestimmt, dass eine Stickstoffkonzentration in den Anodendurchgängen 26 einen gewählten Maximalwert überschreitet, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Mit weiterem Bezug auf die 1 und 1A und zusätzlichem Bezug auf die 2, 3 und 4 kann der Controller 18 dazu verwendet werden, die Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 zu berechnen, um zu bestimmen, ob das Spülventil 22 geöffnet werden soll, um damit die Stickstoffkonzentration in den Anodendurchgängen 26 zu vermindern. Der Controller 18 kann auch einen Speicher 50 aufweisen. Um die Ist-Stickstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel 16 zu bestimmen, kann der Controller 18 einen Permeationswert V_x und einen Übertrittskorrekturfaktor a bestimmen. Der Permeationswert V_x repräsentiert die Menge an Stickstoff, die aufgrund des Partialdrucks des Stickstoffs in die Anodendurchgänge 26 diffundiert, wie am besten in 1A gezeigt ist. Der Übertrittskorrekturfaktor ”a” repräsentiert die Menge an Stickstoff, die aufgrund von Leckpfaden 44 in der Membrananordnung 28 in die Anodendurchgänge 26 diffundiert. Da die Menge an Stickstoff, die in die Anodendurchgänge 26 aufgrund der Leckpfade 44 diffundiert, allgemein sehr klein ist, muss der Übertrittskorrekturfaktor ”a” nicht in Echtzeit berechnet werden und kann zu verschiedenen gewählten Betriebsintervallen berechnet werden, wie alle 50 Stunden Betriebszeit des Brennstoffzellenstapels 16.
Gemäß einer der verschiedenen Ausführungsformen kann mit zusätzlichem Bezug auf 2 ein Verfahren 100 von dem Controller 18 verwendet werden, um die Konzentration des Stickstoffs in den Anodendurchgängen 26 zu berechnen. Es sei angemerkt, dass dieses Verfahren 100 startet, wenn der Brennstoffzellenstapel 16 noch keine Betriebsstunden aufweist, und dass das Verfahren 100 nach Bedarf abgewandelt werden kann, um einen Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) zu berücksichtigen, der zusätzliche Betriebsstunden haben kann.
Der Controller 18 beginnt bei Schritt 101. Bei einem ersten Schritt 102 wird eine Soll-Stickstoffkonzentration in den Controller 18 eingegeben, und ein Anfangsstickstoffanteil a₁ wird auf Null gesetzt. Typischerweise liegt die Soll-Stickstoffmenge im Bereich zwischen 10–40%. Als Nächstes wird bei Schritt 104 ein Zähler X auf Null gesetzt. Bei Schritt 106 bestimmt der Controller 18, ob der Wert des Zählers X gleich einem bestimmten Zeitinkrement ist, wie 50 Betriebsstunden des Brennstoffzellenstapels 16. Obwohl das hier beschriebene Verfahren 50 Stunden als ein geeignetes Zeitinkrement offenbart, sei angemerkt, dass abhängig von dem bestimmten Brennstoffzellenstapel 16 ein beliebiges Zeitinkrement verwendet werden könnte. Wenn der Zähler X nicht gleich dem Soll-Zeitinkrement ist, erhöht bei Schritt 108 der Controller 18 den Zähler X nach dem Ablauf einer bestimmten Zeitdauer.
Wenn der Zähler X gleich der Soll-Betriebszeit des Brennstoffzellenstapels 16 ist, wie 50 Stunden, dann bestimmt der Controller 18 bei Schritt 110 die Pumpendrehzahl ”n” der Umwälzpumpe 27 der Anodendurchgänge 26. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, kann die Pumpendrehzahl ”n” dazu verwendet werden, die Pumpenarbeit zu berechnen, die zunimmt, wenn die Konzentration des Stickstoffs zunimmt, da die Dichte der Anodengase (Wasserstoff und Stickstoff) zunimmt, wenn die Stickstoffkonzentration zunimmt. Als Nächstes bestimmt bei Schritt 112 der Controller 18 die Änderung des Drucks ΔP_Pumpe über die Umwälzpumpe 27. Die Änderung des Drucks ΔP_Pumpe kann durch Sensoren in der Umwälzpumpe 27 bestimmt werden, die mit dem Controller 18 (nicht speziell gezeigt) in Verbindung stehen. Die Änderung des Drucks ΔP_Pumpe kann in Pascal (Pa) gemessen werden. Bei Schritt 114 berechnet der Controller 18 die Dichte der Anodengase. Die Dichte der Gase in den Anodendurchgängen 26 kann durch die Gleichung bestimmt werden:
wobei ϱ_Mischung die Dichte der Mischung in Kilogramm (kg) pro Kubikmeter (m³) ist, Ψ der Volumenstromkoeffizient der Umwälzpumpe 27 in Gallonen pro Minute (gpm) ist, der ein Merkmal ist, das für die bestimmte Umwälzpumpe 27 spezifisch ist, und D der Durchmesser der Umwälzpumpe 27 in Meter (m) ist. Als Nächstes kann bei Schritt 116 der Controller 18 das Molgewicht der Gase in den Anodendurchgängen 26 berechnen. Das Molgewicht der Gase in den Anodendurchgängen 26 kann berechnet werden durch:
wobei R die Gaskonstante in Joule pro Kilogramm Kelvin (J/kgK) ist, die definiert ist als:
in der λ die universelle Gaskonstante ist und M_Gas das Molekulargewicht des idealen Gases oder einer Gasmischung ist, die in der Technik allgemein bekannt ist. In Gleichung (2) repräsentiert T die Temperatur in Kelvin (K) der Gase in den Anodendurchgängen 26 und P ist der Druck in den Anodendurchgängen 26.
Als Nächstes kann bei Schritt 118 der Controller 18 den Stickstoffanteil in den Gasen der Anodendurchgänge 26 berechnen. Um den Stickstoffanteil zu berechnen, können die folgenden Gleichungen verwendet werden: (anteil_H₂)_Mischung + (anteil_N₂)_Mischung + (anteil_H₂O)_Mischung = 1 (4) (anteil_H₂)_Mischung·MW_H₂ + (anteil_N₂)_Mischung·MW_N₂ + (anteil_H₂O)_Mischung·MW_H₂O = MW_Mischung (5)
Unter Annahme eines bestimmten Anteils von H₂ in den Anodendurchgängen 26, und wobei MW_H₂ das Molekulargewicht von Wasserstoff ist, MW_N₂ das Molekulargewicht von Stickstoff ist und MW_H₂O das Molekulargewicht von Wasser ist, kann ein Lösen der Gleichung (4) und der Gleichung (5) den Stickstoffanteil (frac_N₂) in der Mischung von Gasen in den Anodendurchgängen 26 bestimmen. Bei Schritt 120 kann der Controller 18 den Auslaufratenkorrekturfaktor ”a” berechnen, wobei der Auslaufratenkorrekturfaktor ”a” gleichwertig zu der Differenz zwischen dem gegenwärtigen Stickstoffanteil (frac_N₂), der bei Schritt 118 berechnet ist, und dem anfänglichen Stickstoffanteil a₁ ist. Anschließend kann der Controller 18 bei Schritt 122 den Volumenstrom V_i des Stickstoffs in die Anodendurchgänge 26 berechnen. Der Volumenstrom V_i des Stickstoffs in den Anodendurchgangen 26 ist gleich der Summe des Auslaufratenkorrekturfaktors ”a” und der Übertrittsstickstoffkonzentration Vx, die dargestellt werden kann als:
wobei V_i der Volumenstrom von Stickstoff in die Anodendurchgänge 26 in Kubikzentimeter Grad Celsius bei einer Atmosphäre pro Sekunde (cm³ (0°C, 1 atm)/s) ist, Δp_i die Partialdruckdifferenz des Stickstoffgases über die Membrananordnung 28 in Zentimeter Quecksilber (cmHg) ist und t die Dicke (cm) der Membrananordnung 28 in Zentimeter ist. A ist die Membranfläche in Quadratzentimeter (cm²), t ist die Membrandicke in Zentimeter (cm) und P_i ist der Permeationskoeffizient, der in der Form vorliegen kann: P_i = Aexp – B/T (7) wobei T die Temperatur ist und A und B von dem Membranmaterial abhängig sind. P_i kann in (mol/s)·cm/(cm²·atm) oder Barriers angegeben sein. Ein Barrier ist:
Der Umwandlungsfaktor von der Barriereinheit zu dieser Systemeinheit ist: 3.39·10^–13·P_i(barrer) = P_i((mol/sec)·cm/(cm2·atm)) (9)
Als Nächstes kann bei Schritt 124 der Controller 18 den Volumenstrom V_i des Stickstoffs in einen Stoffmengenanteil der Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 integrieren. Dann kann der Controller 18 bei Schritt 126 die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 bestimmen. Bei Schritt 128 bestimmt der Controller 18, ob die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die maximale Soll-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 überschreitet. Wenn der Controller 18 bestimmt, dass die Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die maximale Soll-Stickstoffmenge überschreitet, dann öffnet der Controller 18 bei Schritt 130 das Spülventil 22, um die verdünnten Gase von den Anodendurchgängen 26 freizugeben, und signalisiert der Wasserstoffversorgung 12, frisches Gas an die Anodendurchgänge 26 zu liefern. Der Controller 18 fährt dann mit Schritt 104 fort.
Wenn die Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die maximale Soll-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 nicht überschreitet, setzt der Controller 18 bei Schritt 132 den gegenwärtigen Stickstoffanteil gleich a₁, um die nächste Berechnung des Auslaufratenkorrekturfaktors ”a” zu erleichtern. Anschließend fährt der Controller 18 mit Schritt 108 fort.
Alternativ dazu kann gemäß einer zweiten der verschiedenen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 1 und 3 der Controller 18 die Stickstoffmenge, die in die Anodendurchgänge 26 über Leckpfade 44 eintritt, durch einen Spannungsdifferenzprozessschritt 200 bestimmen. Der Controller 18 beginnt bei Schritt 201. Bei Schritt 202 wird eine Soll-Stickstoffkonzentration in den Controller 18 eingegeben, ein Anfangsstickstoffanteil a₁ wird auf Null gesetzt, eine durchschnittliche Spannung des Brennstoffzellenstapels 16 wird gesetzt und die Soll-Spannungsdifferenz wird gesetzt. Typischerweise liegt die Soll-Stickstoffmenge zwischen dreißig und vierzig Prozent. Als Nächstes wird bei Schritt 204 ein Zähler X auf Null gesetzt. Bei Schritt 206 bestimmt der Controller 18, ob der Wert des Zählers X gleich einem bestimmten Zeitinkrement ist, wie 50 Betriebsstunden des Brennstoffzellenstapels 16. Wenn der Zähler X nicht gleich dem Soll-Zeitinkrement ist, erhöht bei Schritt 208 der Controller 18 den Zähler X nach dem Ablauf einer bestimmten Zeitdauer.
Wenn der Zähler X gleich dem Soll-Zeitinkrement ist, dann bestimmt der Controller 18 bei Schritt 210 die minimale Spannung des Brennstoffzellenstapels 16. Die minimale Spannung kann aus einer Teilabtastung und/oder aus Statistik gemessen oder berechnet werden, die von dem Zustandssensor 30 gesammelt werden kann. Als Nächstes kann bei Schritt 212 der Controller 18 eine Spannungsdifferenz zwischen der Durchschnittsspannung des Brennstoffzellenstapels 16 und der minimalen Spannung des Brennstoffzellenstapels 16 berechnen. Bei Schritt 214 bestimmt der Controller 18, ob die bei Schritt 212 berechnete Spannungsdifferenz die Soll-Spannungsdifferenz überschreitet.
Wenn die Spannungsdifferenz, die bei Schritt 212 berechnet ist, die Soll-Spannungsdifferenz überschreitet, dann erhöht der Controller 18 die Kathodenstöchiometrie bei Schritt 216, um zu bestimmen, ob in den Kathodendurchgängen 24 ein Sauerstoffmangelproblem besteht. Bei Schritt 218 berechnet der Controller 18 die Ist-Spannungsdifferenz neu. Als Nächstes bestimmt der Controller 18 bei Schritt 220, ob die neu berechnete Spannungsdifferenz die Soll-Spannungsdifferenz überschreitet. Wenn die Spannungsdifferenz die Soll-Spannungsdifferenz immer noch überschreitet, erhöht dann der Controller 18 inkrementell den Wert von a₁ bei Schritt 222. Wenn die Spannungsdifferenz die Soll-Spannungsdifferenz nicht überschreitet, dann setzt der Controller 18 bei Schritt 224 einen Fehler, da ein Problem mit den Anodendurchgängen 24 bestehen kann. Nach der Beendigung des Schrittes 222 oder des Schrittes 224 setzt der Controller 18 bei Schritt 230 den Wert von ”a” gleich dem Wert ”a1”. Als Nächstes bestimmt der Controller 18 bei Schritt 232 den Volumenstrom des Stickstoffs in die Anodendurchgänge 26 auf Grundlage der Auslaufrate und des Übertritts, wie bei Schritt 122 oben beschrieben ist. Der Controller 18 kann dann bei Schritt 234 den Volumenstrom V_i des Stickstoffs in einen Stoffmengenanteil der Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 integrieren. Als Nächstes kann der Controller 18 bei Schritt 236 die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 berechnen.
Bei Schritt 238 bestimmt der Controller 18, ob die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die maximale Soll-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 überschreitet. Wenn der Controller 18 bestimmt, dass die Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die maximale Soll-Stickstoffmenge überschreitet, dann öffnet der Controller 18 bei Schritt 240 das Spülventil 22, um die verdünnten Gase von den Anodendurchgängen 26 freizugeben, und signalisiert der Wasserstoffversorgung 12, frisches Gas an die Anodendurchgänge 26 zu liefern. Der Controller 18 fährt dann mit Schritt 204 fort. Wenn die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die Soll-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 nicht überschreitet, dann fährt der Controller 18 mit Schritt 208 fort.
Mit weiterem Bezug auf 1 und zusätzlichem Bezug auf 4 kann gemäß einer dritten von verschiedenen Ausführungsformen ein Verfahren 300 von dem Controller 18 verwendet werden, um den Auslaufratenkorrekturfaktor ”a” zu bestimmen. Der Controller 18 beginnt bei Schritt 301.
Bei Schritt 302 wird eine Soll-Stickstoffkonzentration in den Controller 18 eingegeben, ein Anfangsstickstoffanteil a₁ wird auf Null gesetzt und eine Lebensdauer der Brennstoffzelle L wird auf Null gesetzt. Typischerweise liegt die Soll-Stickstoffmenge zwischen dreißig und vierzig Prozent. Als Nächstes wird bei Schritt 304 ein Zähler X auf Null gesetzt. Bei Schritt 306 bestimmt der Controller 18, ob der Wert des Zählers X gleich einem bestimmten Zeitinkrement ist, wie 50 Betriebsstunden des Brennstoffzellenstapels 16. Wenn der Zähler X nicht gleich dem Soll-Zeitinkrement ist, erhöht der Controller 18 bei Schritt 308 den Zähler X nach dem Ablauf einer bestimmten Zeitdauer.
Wenn der Zähler X gleich dem Soll-Zeitinkrement ist, dann bestimmt der Controller 18 bei Schritt 310 die Härte der Betriebszustände des Brennstoffzellenstapels 16 auf Grundlage des Eingangs von dem Zustandssensor 30, und die Lebensdauer L wird erhöht. Als Nächstes kann der Controller 18 bei Schritt 312 das Alter des Brennstoffzellenstapels 16 auf Grundlage des Zählers X multipliziert mit der Lebensdauer L berechnen. Bei Schritt 314 bestimmt der Controller 18 den Wert von a₁ aus einer in dem Speicher 50 gespeicherten Tabelle. Die Tabelle (nicht gezeigt) kann geeignete Werte von a₁ auf Grundlage des Wertes des Alters und der Betriebszustände des Brennstoffzellenstapels 16 ermitteln. Die Tabelle kann durch Zuordnen der Rate des Stickstoffübertritts für eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln 16 bestimmt werden.
Bei Schritt 316 kann der Controller 18 ”a” gleich dem Wert a₁ setzen, der aus der Tabelle bestimmt ist. Anschließend kann der Controller 18 bei Schritt 318 den Volumenstrom V_i des Stickstoffs in die Anodendurchgänge 26 auf Grundlage des Auslaufratenkorrekturfaktors ”a” und der Übertrittsrate berechnen, wie oben bei Schritt 122 beschrieben ist. Als Nächstes kann der Controller 18 bei Schritt 320 dann den Volumenstrom V_i des Stickstoffs in einen Stoffmengenanteil der Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 integrieren. Bei Schritt 322 kann der Controller 18 die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 berechnen.
Bei Schritt 324 bestimmt der Controller 18, ob die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die Soll-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 überschreitet. Wenn der Controller 18 bestimmt, dass die Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die Soll-Stickstoffmenge überschreitet, dann öffnet der Controller 18 bei Schritt 326 das Spülventil 22, um die verdünnten Gase von den Anodendurchgängen 26 freizugeben, und signalisiert der Wasserstoffversorgung 12, frisches Gas an die Anodendurchgänge 26 zu liefern. Der Controller 18 fährt dann mit Schritt 304 fort. Wenn die angehäufte Ist-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 die Soll-Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 nicht überschreitet, dann fährt der Controller 18 mit Schritt 308 fort.
Somit ermöglichen die Verfahren 100, 200, 300 gemäß den verschiedenen Ausführungsformen eine genaue Bestimmung der Stickstoffmenge in den Anodendurchgängen 26 des Brennstoffzellenstapels 16, um die Verschwendung des Wasserstoffbrennstoffes zu reduzieren, während der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 16 verbessert wird. Es sei zu verstehen, dass die hier gezeigten verschiedenen Prozeduren und Verfahren zur Berechnung des Auslaufratenkorrekturfaktors ”a” abgeändert werden könnten, um sie an verschiedene Brennstoffzellenstapel 16 anzupassen, und ferner gegebenenfalls die Abfolge von Schritten in den Verfahren 100, 200, 300 geändert werden könnte.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel, umfassend, dass: ein Brennstoffzellenstapel mit Kathodendurchgängen und Anodendurchgängen, die ein Ventil in Verbindung mit den Anodendurchgängen aufweisen, und einer permeablen Membran, die eine erste Seite benachbart der Kathodendurchgänge und eine zweite Seite benachbart der Anodendurchgänge aufweist, vorgesehen wird; eine Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird; eine vorbestimmte maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel mit der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel verglichen wird; und das Ventil geöffnet wird, wenn die Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel größer als die maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel ist, wobei das Berechnen der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel umfasst, dass: eine Stickstoffmenge bestimmt wird, die in die Anodendurchgänge aufgrund eines Alters des Brennstoffzellenstapels eintritt, ein Permeationskoeffizient der permeablen Membran bestimmt wird, wobei der Permeationskoeffizient die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund des Partialdrucks des Stickstoffs in die Anodendurchgänge diffundiert, und ein Auslaufratenkorrekturfaktor bestimmt wird, der der Stickstofferhöhungsrate in den Anodendurchgängen zugeordnet ist, wobei der Auslaufratenkorrekturfaktor die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund von Leckpfaden in der Membran in die Anodendurchgänge diffundiert; wobei das Bestimmen des Auslaufratenkorrekturfaktors ferner umfasst, dass: eine Umwälzpumpe in Verbindung mit den Anodendurchgängen vorgesehen wird; eine Dichte von Gasen in den Anodendurchgängen auf Grundlage der von der Umwälzpumpe verrichteten Arbeit berechnet wird; das Molgewicht der Gase in den Anodendurchgängen aus der Dichte der Gase in den Anodendurchgängen berechnet wird; ein gegenwärtiger Stickstoffanteil auf Grundlage des Molgewichts der Mischung bestimmt wird; und der gegenwärtige Stickstoffanteil von einem vorhergehenden Stickstoffanteil subtrahiert wird, um den Korrekturfaktor zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die maximale Soll-Stickstoffmenge in der Brennstoffzelle zwischen dreißig Prozent bis vierzig Prozent liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Auslaufratenkorrekturfaktor nach einem vorbestimmten Intervall gleich dem vorhergehenden Stickstoffanteil gesetzt wird.
Verfahren zur Steuerung der Stickstoffkonzentration in einem Brennstoffzellenstapel, umfassend, dass: ein Brennstoffzellenstapel mit Kathodendurchgängen und Anodendurchgängen, die ein Ventil in Verbindung mit den Anodendurchgängen aufweisen, und einer permeablen Membran, die eine erste Seite benachbart der Kathodendurchgänge und eine zweite Seite benachbart der Anodendurchgänge aufweist, vorgesehen wird; eine Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird; eine vorbestimmte maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel mit der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel verglichen wird; und das Ventil geöffnet wird, wenn die Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel größer als die maximale Soll-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel ist, wobei das Berechnen der Ist-Stickstoffmenge in dem Brennstoffzellenstapel umfasst, dass: eine Stickstoffmenge bestimmt wird, die in die Anodendurchgänge aufgrund eines Alters des Brennstoffzellenstapels eintritt, ein Permeationskoeffizient der permeablen Membran bestimmt wird, wobei der Permeationskoeffizient die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund des Partialdrucks des Stickstoffs in die Anodendurchgänge diffundiert, und ein Auslaufratenkorrekturfaktor bestimmt wird, der der Stickstofferhöhungsrate in den Anodendurchgängen zugeordnet ist, wobei der Auslaufratenkorrekturfaktor die Menge an Stickstoff repräsentiert, die aufgrund von Leckpfaden in der Membran in die Anodendurchgänge diffundiert; wobei das Bestimmen des Auslaufratenkorrekturfaktors ferner umfasst, dass: eine Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz vorgesehen wird; eine minimale Brennstoffzellenspannung und eine durchschnittliche Brennstoffzellenspannung bestimmt werden; die Differenz zwischen der durchschnittlichen Brennstoffzellenspannung und der minimalen Brennstoffzellenspannung berechnet wird, um zu einer Brennstoffzellenspannungsdifferenz zu kommen; und bestimmt wird, ob die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist; wobei das Bestimmen, ob die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist, ferner umfasst, dass: die Kathodenstöchiometrie erhöht wird, wenn die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist; und die Brennstoffzellenspannungsdifferenz neu berechnet wird, nachdem die Kathodenstöchiometrie erhöht wurde, und der Korrekturfaktor erhöht wird, wenn die Brennstoffzellenspannungsdifferenz größer als die Soll-Brennstoffzellenspannungsdifferenz ist.