-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Steuerung
der Konzentration von Wasserstoff, der von einer Anodenabgasströmung abgelassen
wird, und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Steuerung
der Konzentration von Wasserstoff, der von einer Anodenabgasströmung abgelassen
wird, indem der Differenzdruck zwischen der Kathodenseite und der
Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels gesteuert wird.
-
2. Beschreibung des Standes
der Technik
-
Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet
werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische
Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt
dazwischen aufweist. 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 Elektro lyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der
sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
-
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran
auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran.
Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische
Partikel, gewöhnlich
Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit
einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf
entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. 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.
-
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 Kathodeneingangsreaktandengas,
typischerweise eine Strömung
aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird.
Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht,
und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das
Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite
des Stapels strömt.
Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch
die ein Kühlfluid
strömt.
-
Der
Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf,
die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind,
wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert
sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite
für benachbarte
Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten
sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen,
die ermöglichen,
dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die
ermöglichen,
dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte
weist Kathodengasströmungskanäle auf.
Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden
Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die
Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem
Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf,
durch die ein Kühlfluid
strömt.
-
Für Kraftfahrzeuganwendungen
benötigt
es typischerweise etwa 400 Brennstoffzellen, um die gewünschte Leistung
bereitzustellen. Da in Brennstoffzellensystemkonstruktionen für Kraftfahrzeuge
so viele Brennstoffzellen für
den Stapel erforderlich sind, wird der Stapel manchmal in zwei Unterstapel
aufgeteilt, von denen jeder etwa 200 Brennstoffzellen aufweist,
da es schwierig ist, eine gleichmäßige Strömung von Wasserstoffgas durch
so viele parallele Brennstoffzellen effektiv bereitzustellen.
-
In
der Technik ist es vorgeschlagen worden, ein Schalten der Stapelreihenfolge
oder ein Verlagern der Strömung
in einem Brennstoffzellensystem vorzusehen, das geteilte Stapel
verwendet. Insbesondere sind geeignete Ventile und eine geeignete Verrohrung
in dem System vorgesehen, so dass auf eine zyklische Weise das Anodenabgas,
das einen ersten Unterstapel verlässt, an den Anodeneingang eines
zweiten Unterstapels geliefert wird, und das Anodenabgas, das den
zweiten Unterstapel verlässt, an
den Anodeneingang des ersten Unterstapels geliefert wird.
-
Es
ist erwünscht,
dass die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel
für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant ist. Daher
ist es in der Technik bekannt, mehr Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel
einzuführen,
als es für
eine bestimmte Ausgangslast des Stapels erforderlich ist, so dass
das Anodengas gleichmäßig verteilt
wird. Jedoch ist aufgrund dieser Anforderung die Menge an Wasserstoff
in dem Anodenabgas erheblich und würde zu einem geringen Systemwirkungsgrad
führen,
wenn dieser Wasserstoff ausrangiert würde. Daher ist es in der Technik bekannt,
das Anodenabgas zur Wiederverwendung des ausrangierten Wasserstoffes
zurück
an den Anodeneingang zu rezirkulieren.
-
Die
MEAs sind porös
und ermöglichen
somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels
hindurchdringen und sich in der Anodenseite des Stapels sammeln
kann, was in der Industrie als ein Stickstoffübertritt bezeichnet wird. Stickstoff
in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den
Wasserstoff derart, dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen
bestimmten Prozentsatz, wie 50%, zunimmt, der Brennstoffzellenstapel
instabil wird und ausfallen kann. In der Technik ist es bekannt,
ein Ablassventil an dem Anodengasausgang des Brennstoffzellenstapels
vorzusehen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
-
Das
Rezirkulationsgas, das periodisch von dem Anodenrezirkulationskreislauf
abgelassen wird, enthält
typischerweise eine beträchtliche
Menge an Wasserstoff. In der Technik ist es bekannt, das abgelassene
Rezirkulationsgas an einen Brenner zu führen, um den meisten oder den
ge samten Wasserstoff darin zu verbrennen, bevor das Rezirkulationsgas
an die Umgebung ausgetragen wird. Jedoch trägt der Brenner zu erheblichen
Kosten, zu einem erheblichen Gewicht wie auch einer erheblichen
Komplexität
für das
Brennstoffzellensystem bei, was unerwünscht ist.
-
In
der Technik ist es auch bekannt, den Brenner wegzulassen und das
Rezirkulationsgas direkt mit dem Kathodenabgas zu mischen. Wenn
das Rezirkulationsgas direkt mit dem Kathodenabgas ohne Steuerung
gemischt wird, ist die Menge an Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas
nicht bekannt. In der Kathodenabgasleitung kann nach dem Mischpunkt mit
dem Rezirkulationsgas ein Wasserstoffkonzentrationssensor vorgesehen
sein, um die Konzentration von Wasserstoff zu detektieren. Der Wasserstoffkonzentrationssensor
würde ein
Signal an den Controller während
des Ablassens liefern, das die Konzentration von Wasserstoff in
dem gemischten Abgas angibt. Wenn die Konzentration von Wasserstoff
zu hoch wäre,
würde der
Controller die Drehzahl des Kompressors erhöhen, um mehr Kathodenaustragsluft
vorzusehen und damit die Konzentration von Wasserstoff zu verringern.
Wenn der Kompressor nicht in der Lage wäre, die Konzentration von Wasserstoff
effektiv unter der sicheren Grenze für die Stapellast zu halten,
dann müsste
der Controller das Ablassventil schließen. Jedoch müsste der
Wasserstoffsensor kostengünstig
und in der Lage sein, die Feuchte des Abgases auszuhalten. Derzeit
sind bekannte Wasserstoffkonzentrationssensoren nicht in der Lage,
diese Anforderungen zu erfüllen.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum
Begrenzen der Menge an Wasserstoff, die von einer Anodenabgasströmung in
einem Brennstoffzellensystem abgelassen wird, of fenbart. Das Verfahren
umfasst, dass eine Druckvorspannung zwischen einem Anodenauslass
und einem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels beibehalten
wird, so dass, wenn ein Anodenabgas abgelassen und mit dem Kathodenabgas
gemischt wird, die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten
Gas unter einem vorbestimmten Prozentsatz beibehalten wird. Die
Druckvorspannung ist derart, dass das Anodenabgas einen höheren Gasdruck
aufweist, als das Kathodenabgas. Beim Systemstart umgeht Kathodeneinlassluft
den Stapel zur direkten Mischung mit dem gemischten Kathodenabgas
und Anodenabgas. Das Verfahren stellt bei nach oben gerichteten
Leistungsübergängen an
dem Stapel eine Anstiegsratengrenze für die Druckvorspannung ein,
so dass jede Verzögerung
zwischen einer Bereitstellung von Kathodenluft für den Stapel und Wasserstoffreaktandengas
für den
Stapel reduziert ist. Das Verfahren verhindert auch manchmal einen
Wasserstoffabgasablass während
eines Leistungsübergangs
nach unten.
-
Zusätzliche
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das ein Ablassen
von Stickstoff steuert, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Steuern der Menge an Wasserstoff
gerichtet ist, der von einer Abgasströmung in einem Brennstoffzellensystem
abgelassen wird, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu
bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken. Beispielsweise
beschreibt die nachfolgende Diskussion ein Verfahren zur Steuerung
der Menge an Wasserstoff, die von einer Abgasströmung von einem Anodenrezirkulationskreislauf
abgelassen wird. Jedoch besitzt das erfindungsgemäße Verfahren
zur Steuerung der Menge an Wasserstoff, die von einer Abgasströmung abgelassen
wird, auch Anwendung für
andere Brennstoffzellensysteme, wie diejenigen, die getrennte Stapel
wie auch ein Verlagern von Anodenströmung verwenden.
-
1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10,
das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Wasserstoffgas
von einer Wasserstoffquelle 14 wird an eine Mischverzweigung 16 geliefert
und dann an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf
der Leitung 18 gesendet. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf
Leitung 20 ausgegeben und an ein Ablassventil 26 geliefert.
Eine Rezirkulationspumpe (nicht gezeigt) pumpt das Anodenabgas durch
das Ventil 26 an die Mischverzweigung 16 zur Mischung mit
frischem Wasserstoff von der Quelle 14, um einen Anodenrezirkulationskreislauf
vorzusehen. Die korrekte Mischung des frischen Wasserstoffs von
der Quelle 14 mit dem rezirkulierten Anodenabgas an der Mischverzweigung 16 stellt
den Druck der Anodenseite des Stapels 12 ein.
-
Das
Brennstoffzellensystem 10 weist auch einen Kompressor 30 auf,
der Kathodenluft auf Leitung 32 an die Kathodenseite des
Brennstoffzellenstapels 12 liefert. Das Kathodenabgas von
dem Stapel 12 wird von dem Stapel 12 auf einer
Kathodenabgasleitung 34 ausgegeben.
-
Wie
oben beschrieben ist, verdünnt
ein Stickstoffübertritt
von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 den
Wasserstoff in der Anodenseite, was die Stapelleistungsfähigkeit
beeinträchtigt.
Daher ist es notwendig, das Anodenabgas periodisch abzulassen, um
die Menge an rezirkuliertem Stickstoff zu reduzieren. Beim Ablassen
des Stickstoffes wird das Ventil 26 gesteuert, um das Anodenabgas von
dem Rezirkulationskreislauf an eine Abgasleitung 28 zu
schalten. Bei dieser Ausführungsform
wird das abgelassene Rezirkulationsgas in der Leitung 28 mit
dem Kathodenabgas an der Leitung 34 in einer Mischverzweigung 36 gemischt.
-
Das
System 10 weist auch eine Leitung 40 auf, die
mit der Kathodeneingangsleitung 32 und der Mischverzweigung 36 gekoppelt
ist. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, kann es bei
bestimmten Zeiten des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 erwünscht sein,
den Brennstoffzellenstapel 12 mit einem Teil der Kathodeneingangsluft
durch Steuerung eines Bypassventils 42 zu umgehen, so dass
mehr Luft in dem Kathodenabgas vorhanden ist, um die Konzentration
von Wasserstoff zu reduzieren.
-
Die
vorliegende Erfindung schlägt
ein Verfahren zum Steuern der Wasserstoffemissionen in dem Austrag
des Brennstoffzellensystems 10 vor. Bei bestimmten Konstruktionen
von Brennstoffzellensystemen ist es erwünscht, den Prozentsatz von
Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas auf kleiner als 2
Vol.-%, nur für
wenige Sekunden zwischen 2 Vol.-% und 4 Vol.-% und niemals größer als
4 Vol.-% zu halten.
-
Ein
Brennstoffzellensystem besitzt grundsätzlich vier Betriebsarten.
Insbesondere besitzt das Brennstoffzellensystem eine Startbetriebsart,
eine stabile Betriebsart, Leistungsübergangsbetriebsarten und eine
Abschaltbetriebsart. Gemäß der Erfindung
ist die Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Kathoden-/Anodenabgas
während
eines Ablassens der Anode durch Begrenzung der Menge an Wasserstoff,
die von dem Rezirkulationskreislauf abgegeben wird, begrenzt. Die
vorliegende Erfindung schlägt
ein Begrenzen der Menge an Wasserstoff in dem gemischten Kathoden-
und Anodenaustrag dadurch vor, dass eine Druckdifferenz zwischen der
Kathodenseite des Stapels 12 und der Anodenseite des Stapels 12 vorgesehen
wird, wobei die Anodenseite einen größeren Druck in einem vorher
festgelegten Bereich als die Kathodenseite besitzt.
-
Gemäß der Erfindung
besitzt die Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite
des Stapels 12 eine obere Grenze und eine untere Grenze
abhängig
von verschiedenen Faktoren. Beispielsweise sollte der anodenseitige
Druck aufgrund von Sensorungenauigkeiten, Strömungsverlagerungseffekten,
etc. zumindest 10 kPa höher
als der kathodenseitige Druck sein, um zu verhindern, dass das Kathodenabgas
in die Anodenseite des Stapels strömt. Jedoch sollte die Druckvorspannung
stets so hoch wie möglich
sein, so dass der maximale zulässige
Anodenabgasdurchfluss während
eines Ablassens auftritt. Ein höherer
Durchfluss ist wichtig, um so viel Wasser und Stickstoff wie möglich von
den Anodenströmungskanälen während des
Ablassens zu entfernen. Der Wert von 10 kPa bei niedrigen Stapelstromdichten
bewirkt eine ausreichend geringe Konzentration von Wasserstoff in
dem gemischten Abgas, sogar obwohl die Menge an Luft in dem Abgas niedrig
ist. Bei hohen Stromdichten kann die Druckvorspannung etwa 35 kPa
betragen, um eine ausreichende Strömung zur Entfernung von Wasser
ohne eine Erhöhung
der Konzentration von Wasserstoff in dem gemischten Abgas aufgrund
der größeren Menge
an Luft vorzusehen.
-
Beim
Systemstart befindet sich Luft in den Anodenströmungskanälen aus der vorhergehenden Abschaltung,
und Wasserstoff wird in die Anoden strömungskanäle injiziert. Die Wasserstoff/Luft-Front sollte
sich durch die Anodenseite des Stapels 12 aus verschiedenen
Gründen,
wie einem schnelleren, zuverlässigeren
Start, so schnell wie möglich,
wie es in der Technik gut bekannt ist, bewegen. Um diesen schnellen
Start vorzusehen, muss eine signifikante Menge an Wasserstoff durch
die Anodenseite des Stapels 12 strömen, um die Luft zu verdrängen, wodurch
ein potenzielles Problem mit überhöhtem ausgetragenem
Wasserstoff erzeugt wird.
-
Gemäß der Erfindung
wird ein spezieller Steueralgorithmus in dem Controller 48 dazu
verwendet, die Wasserstoffemissionen beim Start zu reduzieren. Insbesondere
wird der Kompressor 30 vor der Wasserstoffströmung gestartet,
und das Ventil 42 wird geöffnet, so dass Luft in der
Leitung 40 an die Mischverzweigung 36 geliefert
wird. Bald danach beginnen die Wasserstoffinjektoren (nicht gezeigt), Wasserstoff
in die Anodenseite des Stapels 12 und aus dem Ablassventil 26 zu
injizieren. Die Kathodenluft, die den Stapel 12 umgeht,
verdünnt
diese anfängliche
Wasserstoffblase, die die in den Anodenströmungskanälen vorhandene Luft verdrängt, so dass
die Wasserstoffemissionen unter 2 Vol.-% gehalten werden. Nach einer
gewissen vorbestimmten Zeitdauer wird das Ventil 42 geschlossen,
und die gesamte Luft von dem Kompressor 30 wird durch die Kathodenseite
des Stapels 12 in Übereinstimmung mit
der Last auf den Stapel 12 geführt. Ferner wird das Ablassventil 26 geschlossen.
Während
dieser Zeit sind keine weiteren Wasserstoffemissionen vorhanden,
und die Brennstoffzellenreaktion bewirkt, dass die Zellenspannungen
eine Leerlaufspannung erreichen. Eine bestimmte Zeit nach diesem
Punkt wechselt das System 10 in eine normale Laufbetriebsart,
und es wird zugelassen, dass Leistung von dem Stapel 12 gezogen
werden kann.
-
Während des
stabilen Betriebs wird eine "Druckvorspannung" zwischen dem Rezirkulationsgas
von dem Ablassventil 26 während des Ablassens und dem
Kathodenabgas auf der Leitung 34 beibehalten, wobei der
Rezirkulationsgasdruck an dem Ablassventil 26 höher als
der Kathodenabgasdruck auf der Leitung 34 ist. Diese Druckdifferenz
zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 10 behält die Konzentration
von Wasserstoff in dem gemischten Kathoden- und Anodenabgas unter
2% bei.
-
Das
System 10 ist so kalibriert, dass für eine gegebene Kathodenreaktandengasströmung/Kathodenstöchiometrie
als eine Funktion der Stromdichte eine erwünschte Druckvorspannung zwischen
der Kathodenseite und der Anodenseite vorgesehen wird. Mit anderen
Worten, wenn die Kathodenstöchiometrie
im stabilen Zustand bei 0,2 A/cm2 3,0 beträgt, dann
ist eine entsprechende kalibrierte Druckvorspannung vorhanden, die
an der Anodenseite des Stapels 12 beispielsweise 25 kPa
höher ist,
was in einer Konzentration von gemischtem Luft/Wasserstoffaustrag
resultiert, die geringfügig
kleiner als 2% ist, sogar, wenn die Anodenwasserstoffkonzentration 100%
beträgt.
Somit überschreitet
sogar, wenn. das Ablassventil 26 konstant geöffnet ist,
die Abgaskonzentration im stabilen Zustand niemals 2%. Es kann eine
Druckvorspannungstabelle für
den stabilen Betrieb vorgesehen werden, wo eine Soll-Druckdifferenz
zwischen den Kathoden- und Anodenseiten des Stapels 12 ungeachtet
der Last auf den Stapel 12 beibehalten wird. Typischerweise
sind die Druckvorspannungswerte für unterschiedliche Niveaus
von Wasserstoff in der Nähe
des Leerlaufs am kleinsten, beispielsweise 10 kPa, und bei Hochleistung
am höchsten,
beispielsweise 35 kPa.
-
Es
kann sein, dass die oben beschriebene Druckvorspannungstabelle nicht
in der Lage ist, übermäßige Wasserstoffaustragsemissionen
während
eines Leistungsübergangs
nach oben zu verhindern, da eine höhere Druckvorspannung die Wasserstoffaustragskonzentration
für eine
sehr kurze Zeit erhöhen
kann, da die Wasserstoffinjektoren schneller als der Kompressor 30 ansprechen.
Um dieses potenzielle Problem zu berücksichtigen, schlägt die vorliegende
Erfindung bei Leistungsübergängen nach oben
eine Anstiegsratengrenze für
den Druckvorspannungseinstellpunkt vor. Beispielsweise würde bei
einer Anforderung von einer Leerlaufleistung zu einer maximalen
Leistung von dem Stapel 12 der Einstellpunkt normalerweise
von 10 kPa auf 35 kPa gestuft. Die höhere Wasserstoffströmung, die
durch diese höhere
Druckvorspannung bewirkt wird, wird manchmal solange nicht ausreichend
verdünnt,
bis der Kompressor 30 den Soll-Kathodeneinstellpunkt für maximale
Leistung erreicht. Wenn die Zunahmerate des Druckvorspannungseinstellpunktes
auf kleiner als die Kathodenströmungszunahmerate
begrenzt ist, dann bleibt der Wasserstoff über den Leistungsübergang
nach oben hinweg ausreichend verdünnt.
-
Wenn
ein schneller Leistungsübergang
nach unten mit signifikanter Größe und Geschwindigkeit vorhanden
ist, kann es sein, dass die Druckvorspannung nicht ausreichend Zeit
hat, signifikant anzusteigen, und somit kann das System übermäßigen Wasserstoff
in dem Anodenabgas bei dem Leistungsübergang nach unten während eines
Rezirkulationsablassens vorsehen. Gemäß der Erfindung kann der Algorithmus
eine Ablassanforderung während
eines Leistungsübergangs
nach unten verhindern oder außer
Kraft setzen, um zu viel Wasserstoff in dem gemischten Abgas zu
verhindern.
-
Ein
Leistungsübergang
nach unten ist besonders schwierig, wenn er nach einem Übergang
zu hoher Leistung auftritt oder nachdem der Stapel 12 für eine lange
Zeitdauer bei hoher Leistung betrieben worden ist. Wenn sich das
System 10 bei maximaler oder hoher Leistung befindet, ist
eine große
Wasserstoffströmung
durch die Anodenkanäle
vorhanden, wobei das meiste derselben durch die Reaktion verbraucht
wird. Sobald ein Leis tungsübergang
nach unten auftritt, ist plötzlich
eine große
Menge an Wasserstoff vorhanden und es ist nicht möglich, diesen
in dem Stapel 12 zu verbrauchen. Glücklicherweise besteht auch
keine Notwendigkeit, Anodenabgas durch das Ablassventil 26 in
den Kathodenaustrag für
eine gewisse kurze Zeitdauer während
dieser Leistungsübergänge nach
unten abzulassen. Daher setzt die vorliegende Erfindung jegliche
Ablassanforderung außer
Kraft, wenn ein Leistungsübergang
nach unten detektiert wird, und hält das Ablassventil 26 für eine kurze
Zeitdauer geschlossen. Nachdem diese Zeitdauer vergangen ist, endet
die Außerkraftsetzung, und
es kann ein normaler Ablassbetrieb wieder aufgenommen werden. Dies
verhindert eine übermäßige Wasserstoffkonzentration
in der Kathodenaustragsmischung während eines großen Leistungsübergangs
nach unten.
-
Bei
einer Abschaltung des Systems ist es erwünscht, dass das System 10 die
Kathoden- und Anodenströmungskanäle in dem
Stapel 12 spült,
um so viel Wasser wie möglich
zu entfernen und damit ein Gefrieren nach einer Abschaltung zu verhindern
oder ein Fluten von Zellen bei einem anschließenden Neustart bei kälteren Temperaturen
zu verhindern. Bei dieser Abschaltspülung wird mehr als ausreichend Kathodenluft
auf der Leitung 34 ausgetragen, um den Großteil des
in dem System 10 bei der Abschaltung vorhandenen Wasserstoffs
zu verdünnen.
-
Ferner
ist bei einigen Brennstoffzellensystemkonstruktionen der Kompressor 30 ein
Turbokompressor, der ein großes
Volumen an Luftströmung
für Hochleistungsanforderungen
vorsieht. Während
derjenigen Zeiten, wenn die Leistungsanforderung gering ist, wäre es für den Kompressor 30 schwierig,
um einen stabilen geringen Durchfluss beizubehalten. Daher kann
ein Teil der Kathodenströmung
durch das Ventil 42 um den Stapel 12 herum gelenkt
werden, so dass der Kompressor 30 schneller laufen kann,
als es für
die Systemleistungsanforderung notwendig ist.
-
Die
vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer
derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und
Ansprüchen, dass
verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken
und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, durchgeführt
werden können.