DE102007032528A1

DE102007032528A1 - Anodenstöchiometriesteuerung für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102007032528A1
Application number: DE102007032528A
Authority: DE
Inventors: Victor W. Logan
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-07-17
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2027-07-13
Also published as: CN101110483A; CN100585930C; JP2008047518A; DE102007032528B4; JP5027577B2; US8524404B2; US20080014472A1

Abstract

System und Verfahren zum Steuern eines Anodenabgasablassventils in einem Brennstoffzellensystem, die umfassen, dass die Gaszusammensetzung in dem Anodenabgas geschätzt wird, ein inverses Ventilmodell verwendet wird, um einen Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu berechnen, und das Anodenabgas mit einem Durchfluss abgelassen wird, der den Soll-Ventilströmungskoeffizienten zur Folge hat. Das Verfahren umfasst, dass der Partialdruck von Stickstoff in dem Anodenabgas bestimmt wird, der Partialdruck von Wasserdampf und Wasserstoff in dem Anodenabgas berechnet wird und der Gasstoffmengenanteil des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs in dem Anodenabgas berechnet werden. Das Verfahren umfasst auch, dass der Gasstoffmengenanteil von Stickstoff, Wasserdampf und Wasserstoff verwendet werden, um den Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu bestimmen, und der Soll-Ventilströmungskoeffizient verwendet wird, um zu bestimmen, wann das Ablassventil öffnen und schließen soll.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren, um zu bestimmen, wann ein Ablassen eines Anodenaustrags für einen Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellensystems ausgeführt werden soll, und insbesondere ein System und ein Verfahren, um zu bestimmen, wann ein Ablassen eines Anodenaustrags für einen Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellensystems ausgeführt werden soll, wobei das Verfahren umfasst, dass ein Modell, um die Gaszusammensetzung in dem Anodenabgas zu schätzen, und ein inverses Ventilmodell verwendet werden, um einen Soll-Ventilstromungskoeffizienten zu berechnen, um das Anodenabgas mit einem Durchfluss abzulassen, der eine gewünschte Anodenstöchiometrie zur Folge hat.
2. 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. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle 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 Elektrolyt 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 auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. 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 den Stapel über einen Kompressor 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 Strömungsfeld- oder Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Strömungskanäle für Anodenreaktandengas vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Strömungskanäle für Kathodenreaktandengas vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Es ist erwünscht, dass die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel für einen richtigen Brennstoffzellenstapelbetrieb im Wesentlichen konstant ist. Daher ist es in der Technik bekannt, mehr Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel einzuführen, als es für eine bestimmte Ausgangslast des Stapels notwendig ist, so dass die Anodengasverteilung zugänglich ist. Jedoch ist aufgrund dieser Anforderung die Menge an Wasserstoff in dem Anodenabgas signifikant und würde zu einem geringen Systemwirkungsgrad führen, wenn dieser Wasserstoff ausrangiert würde. Daher ist es in der Technik bekannt, das Anodenabgas zurück an den Anodeneingang zu rezirkulieren, um den ausrangierten Wasserstoff wieder zu verwenden.
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 bekannt ist. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, so dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz, wie 80 %, ansteigt, der Brenn stoffzellenstapel instabil wird und ausfallen kann. In der Technik ist es bekannt, ein Ablassventil an dem Anodenausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen. Der abgelassene Wasserstoff kann an einen beliebigen geeigneten Ort geliefert werden, wie einen Brenner oder an die Umgebung.
Um den Brennstoffzellenstapel unter optimierten Bedingungen zu betreiben und die Systemleistung zu maximieren, müssen eine ausreichend große Menge an Wasserstoff in dem Anodenrezirkulationsgas und eine bestimmte Rezirkulationsrate erreicht werden. Jedoch existieren derzeit keine Wasserstoffkonzentrationssensoren oder Durchflusssensoren, die für ein Brennstoffzellensystem geeignet sind. Daher ist eine direkte Steuerbarkeit der Betriebsparameter Rückführströmung und Anodenwasserstoffkonzentration nicht möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren offenbart, um ein Anodenabgasablassventil eines Brennstoffzellensystems zu steuern, die umfassen, dass die Gaszusammensetzung in dem Anodenabgas geschätzt wird, ein inverses Ventilmodell verwendet wird, um einen Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu berechnen, und das Anodenabgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. einem Durchfluss abgelassen wird, der den Soll-Ventilströmungskoeffizienten zur Folge hat. Das Verfahren umfasst, dass der Partialdruck von Stickstoff in dem Anodenabgas bestimmt wird und der Partialdruck von Stickstoff dazu verwendet wird, einen Durchfluss von Stickstoff in dem Anodenaustrag zu berechnen. Das Verfahren umfasst auch, dass die Partialdrücke von Wasserdampf und Wasserstoff in dem Anodenabgas berechnet werden und der Partialdruck des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs ver wendet werden, um den Gasstoffmengenanteil des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs in dem Rezirkulationsgas zu berechnen. Das Verfahren umfasst auch, dass der Gasstoffmengenanteil von Stickstoff, Wasserdampf und Wasserstoff in dem Anodenabgas verwendet werden, um den Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu bestimmen, und der Soll-Ventilströmungskoeffizient verwendet wird, um zu bestimmen, wann das Ablassventil öffnen und schließen soll.
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 schematisches Schaubild eines Anodenrezirkulationskreislaufes in einem Brennstoffzellensystem, das eine Steuertechnik zur Steuerung eines Ablassventils verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flussschaubild, das die Steuerstrategie zum Schätzen einer Anodenabgaszusammensetzung zeigt; und
3 ist ein Flussschaubild, das die Steuerstrategie zum Steuern des Ablassventils zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Steuern eines Anodenablassventils in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschranken. Beispielsweise besitzt das Verfahren der Erfindung zur Steuerung des Ablassventils, wie nachfolgend beschrieben ist, Anwendung für ein Brennstoffzellensystem, das eine Anodenrezirkulation verwendet. Jedoch besitzt, wie für den Fachmann angemerkt sei, das Verfahren zur Steuerung des Ablassventils Anwendung für andere Brennstoffzellensysteme, wie Anodenströmungsumschaltsysteme.
1 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 wird an eine Mischverbindungsstelle 16 geliefert und dann an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf Leitung 18 gesendet. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf Leitung 20 ausgegeben und an ein Ablassventil 26 gesendet. Eine Rezirkulationspumpe 30 pumpt das Anodenabgas durch das Ventil 26 an die Mischverbindungsstelle 16 zur Mischung mit dem frischen Wasserstoff von der Quelle 14, um einen Anodenrezirkulationskreislauf vorzusehen. Der Druck in dem Rezirkulationskreislauf muss so gesteuert werden, dass er etwa gleich dem Druck auf der Kathodenseite des Stapels 12 ist. Die richtige Mischung des frischen Wasserstoffs von der Quelle 12 und des rezirkulierten Anodenabgases an der Mischverbindungsstelle 16 legt den Druck der Anodenseite des Stapels 12 fest. Das Verhältnis von frischem Brennstoff zu rezirkuliertem Brennstoff ist von vielen Faktoren abhängig, wie Betriebsbedingungen, dem Volumendurchfluss der Rezirkulationspumpe, etc.
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. Während des Ablassens von Stickstoff wird das Ventil 26 gesteuert, um einen Anteil des Anodenabgases von dem Rezirkulationskreislauf an eine Austragsleitung 28 umzulenken. Es ist nützlich, die Rezirkulationsrate des Anodengases an die Brennstoffzellenlast und die Wasserstoffzufuhrgasströmung anzupassen, um ein richtiges Wassermanagement zu unterstützen und parasitäre Lasten an dem Brennstoffzellensystem zu reduzieren.
Um die Anodenrezirkulation zu überwachen, sind verschiedene Sensoren in dem System 10 vorgesehen. Insbesondere misst ein Drucksensor 36 den Druck in dem Anodenrezirkulationskreislauf in der Leitung 20, und ein Drucksensor 24 misst den Druck über die Rezirkulationspumpe 30. Ferner misst ein Temperatursensor 38 die Temperatur des Rezirkulationsgases in dem Rezirkulationskreislauf in der Leitung 18. Auch entfernt ein Wasserabscheider 32 Nebenproduktwasser von dem Anodenabgas. Der Wasserdampf, der in dem Anodenabgas, das zurück zu der Eingangsleitung 18 rezirkuliert wird, vorhanden ist, hilft bei der notwendigen Membranbefeuchtung, insbesondere an der Einlassseite des Stapels 12. Eine Steuereinrichtung 34 steuert die Menge an frischem Wasserstoff von der Quelle 14, die Drehzahl der Pumpe 30 und die Position des Ablassventils 26 auf Grundlage der nachfolgenden Beschreibung. Die Steuereinrichtung 34 empfängt auch Messsignale von den Drucksensoren 36 und 24 und dem Temperatursensor 38.
Auf Grundlage der obigen Beschreibung ist es erwünscht, dass die Steuereinrichtung 34 Kenntnis darüber besitzt, wann ein Ablassen von Anodenabgas zu der Austragsleitung 28 vorgesehen werden soll. In einigen Systemen öffnet, wenn die Konzentration von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreislauf unter einen vorbestimmten Prozentsatz, wie 50 %, fällt, dann die Steuereinrichtung 34 das Ablassventil 26 für eine gewisse vorbestimmte Zeitperiode, um die Menge an Stickstoff zu reduzieren.
Wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, verwendet die Steuereinrichtung 34 ein Modell, um die Gaszusammensetzung des Anodenabgases in der Leitung 20 zu schätzen, und ein inverses Ventilmodell, um einen Soll-Ventilströmungskoeffizienten C_v zu berechnen, die erforderlich sind, um das Anodenrezirkulationsgas mit einem Durchfluss abzulassen, der eine gewünschte Anodenstöchiometrie erreicht. Die Steuereinrichtung 34 steuert dann das Ablassventil 26, um den Soll-Ventilströmungskoeffizienten C_v zu erhalten. Obwohl das nachfolgend beschriebene Modell besondere Anwendung für ein Ablassen des Rezirkulationsgases von dem Ablassventil 26 besitzt, besitzt das Modell auch Anwendungen für andere Brennstoffzellensystemkonstruktionen, die keine Anodenrezirkulation verwenden müssen.
Der Stickstoffübertritt ist eine Funktion des Stickstoffpartialdruckes über die Membran in der Brennstoffzelle und der Permeabilität der Membran, als:

wobei V_N2 der Volumenstrom des Anodenrezirkulationsgases ist,
ein Permeabilitätskoeffizient in Barrer ist, A die Fläche der Membran in cm² ist,
die Partialdruckdifferenz des Stickstoffs über die Membran in cmHg ist, und t die Dicke der Membran in cm ist. Bei dieser Berechnung werden bestimmte Annahmen getroffen, insbesondere, dass das Kathodeneinlassgas 79 % Stickstoff aufweist und das Anodenabgas zu 100 % befeuchtet ist.
Dann kann ein Algorithmus, der Gleichung (1) modelliert, verwendet werden, um den Volumendurchfluss von Stickstoff in das Rezirkulationsgas zu berechnen. 2 ist ein Flussschaubild 40 für einen derartigen Algorithmus. Der Algorithmus setzt einen willkürlichen, jedoch vernünftigen Anfangszustand des Anodenstickstoffpartialdrucks (gewöhnlich Null) bei Kasten 42 auf Grundlage des Drucks über den Anodeneinlass und -auslass, der Temperatur des Rezirkulationsgases und dem Volumen des Rezirkulationsgases. Der Algorithmus kennt auch den durchschnittlichen Kathodenstickstoffpartialdruck bei Kasten 44 als eine Funktion des Drucks über den Kathodeneinlass und -auslass und der Temperatur. Bei Kasten 46 werden der Kathodenstickstoffpartialdruck und der Anodenstickstoffpartialdruck subtrahiert, um eine Treibkraft Δp_N2 der Differenz des Partialdrucks des Stickstoffs zwischen der Kathode und der Anode zu bestimmen. Bei Kasten 48 wird ein Membranpermeabilitätsfaktor P_N2 als eine Funktion der Temperatur und anderen Faktoren, die für die Membranmaterialien spezifisch sind, bestimmt. Der Membranpermeabilitätsfaktor P_N2 und die Treibkraft Δp_N2 werden dann dazu verwendet, den Volumendurchfluss von Stickstoff durch den Anodenrezirkulationskreislauf bei Kasten 50 auf Grundlage der Fläche A der Membran und der Dicke t der Membran zu bestimmen. Wenn die Steuereinrichtung 34 ein Ablassen anfordert, wird der Durchfluss von Stickstoff von dem Anodenrezirkulations gas zu dem Austrag von dem bei Kasten 50 berechneten Durchfluss durch einen Subtraktor 52 reduziert. Der Stickstoffgehalt in dem Anodenrezirkulationskreislauf wird dann bei Kasten 56 integriert, was den Stoffmengenanteil von Stickstoff in der Anode und eine aktualisierte Berechnung des Stickstoffpartialdrucks für den Kasten 42 ergibt.
Das Stickstoffpartialdruckmodell verwendet die Stickstoffübertrittsrate, um den Stickstoffpartialdruck
an dem Anodenauslass des Stapels 12 zu schätzen. Auf Grundlage der Temperatur kann der Partialdruck des Wasserdampfes in dem Rezirkulationsgas berechnet werden. Es wird angenommen, dass der verbleibende Partialdruck der Wasserstoffbrennstoffpartialdruck ist. Diese Partialdrücke können dann dazu verwendet werden, die Stoffmengenanteile für die drei Gase zu berechnen. Die Gasstoffmengenanteile und ein inverses Ventilmodell werden dazu verwendet, den Soll-Ventilströmungskoeffizienten C_v zu berechnen, um das Anodenrezirkulationsgas mit einem Durchfluss abzulassen, der in einer gewünschten Anodenstöchiometrie resultiert.
Die Strömung eines komprimierbaren Fluides kann von Darcy's Gleichung abgeleitet werden als:
wobei Q eine Strömung in Standardkubikfuß pro Stunde (SCFH) ist, C_v der Ventilstromungskoeffizient in Gallonen Wasser pro Minute bei 1 psid bei 60°F ist, P₁ ein oberstromiger Druck in Pfund pro Quadratzoll absolut ist, Y der Ausdehnungsfaktor ist, x das Druckabfallverhältnis ist, S_g die relative Dichte des Gases durch das Ventil 26 ist, T₁ die Temperatur des Gases in °R ist, F_p der Rohrsystemfaktor ist und Z der Kompressibilitätsfaktor ist. Wenn das Ventileinlass- und -auslassrohrsystem richtig bemessen ist, beträgt der Rohrsystemfaktor F_p etwa gleich 1. Auch beträgt für die Gase und Drücke in dieser Anwendung der Kompressibilitätsfaktor etwa 1.
Die relative Dichte S_g ist das Verhältnis des Molekulargewichts MW des Gases gegenüber dem Molekulargewicht MW von Luft als:
Das Molekulargewicht MW des Rezirkulationsgases ist die Summe des Gasstoffmengenanteils der Gase mal deren Molekulargewichte als:
was ergibt:
wobei mf der Stoffmengenanteil ist, und wobei:
Der Ausdehnungsfaktor Y ist gegeben als:
wobei: Fk = K/1,4 (8)und wobei x das Druckabfallverhältnis ist, x_t das Enddruckabfallverhältnis ist, F_k das Verhältnis des Faktors der spezifischen Wärmekapazität ist, K das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten ist. Für die Gases und Drücke in dieser Anwendung beträgt das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten etwa 1,39, wobei F_k daher etwa 1 ist.
Das Druckabfallverhältnis x ist gegeben als:
wobei P₂ der unterstromige Druck in Pfund pro Quadratzoll absolut ist. Der Wert x_t ist das Enddruckabfallverhältnis und ist spezifisch für eine Ventilgeometrie und kann experimentell bestimmt werden.
Wenn x < F_k × x_t, ist die Strömung subkritisch, und wenn x > F_k × x_t, dann ist die Strömung kritisch. In dem letztgenannten Fall wird F_k × x_t anstelle von x verwendet. Aus der obigen Diskussion kann die Strömung Q für die subkritische Strömung und kritische Strömung vereinfacht werden als:
Ein Umstellen der obigen Gleichungen und ein Lösen nach dem Ventilströmungskoeffizienten C_v für sowohl die subkritische Strömung als auch die kritische Strömung ergeben:
Es ist bekannt, dass:
wobei ṅ der Durchfluss des von dem Stapel 12 verbrauchten Wasserstoffs in Mol pro Sekunde ist, I der Strom in Amp., Fa die Faradayzahl in Coulomb pro Mol ist, H_{2_bleed} die Menge an durch das Ablassventil 26 abgelas senem Wasserstoff ist und H_{2_consumed} die Menge an von dem Stapel 12 verbrauchtem Wasserstoff ist.
Aus dem oben beschriebenen Anodenmodell sind die Gasstoffmengenanteile bekannt. Daher kann der Anodenaustragsdurchfluss ṅ aufgelöst werden als:
Die Anodenaustragsdurchflusswerte können dann in die Gleichungen (11) und (12) eingesetzt werden, wobei Q = ṅ (nach der Umwandlung in die richtigen Einheiten), um den Soll-Ventilströmungskoeffizienten C_v für sowohl die subkritische Strömung als auch die kritische Strömung zu erhalten. Es wird bestimmt, ob die Strömung subkritisch oder kritisch ist, und dann wird die geeignete Gleichung für einen einzelnen C_v-Wert verwendet.
Die Steuereinrichtung 34 steuert dann das Ablassventil 26, um den Soll-Ventilströmungskoeffizienten C_v zu erreichen. Das Ablassventil 26 kann ein Ventil vom Zapfentyp mit variabler Öffnung sein. Bei einer Ausführungsform ist das Ablassventil 26 ein Solenoidventil mit einem bekannten Vollventilströmungskoeffizienten C_{v_valve}. Das Ventil 26 kann pulsbreitenmoduliert sein, um einen effektiven C_v zu erhalten. Das Schaltverhältnis des Ventils 26 würde als das Verhältnis des Soll-Ventilströmungskoeffizienten C_v zu dem Vollventilströmungskoeffizienten C_{v_valve} eingestellt als:
3 ist ein Flussschaubild 60, das die Steuerstrategie zur Steuerung des Ablassventils 26 auf Grundlage der obigen Beschreibung zeigt. Der Steueralgorithmus bestimmt zuerst den Einstellpunkt der Anödenstöchiometrie bei Kasten 62. Der Algorithmus berechnet dann die Wasserstoffablassströmung bei Kasten 64 auf Grundlage der Stapellast bei Kasten 66. Der Algorithmus berechnet dann die Gesamtablassströmung bei Kasten 68 unter Verwendung des integrierten Stickstoffgehaltes in dem Anodenrezirkulationskreislauf von Kasten 56. Der Algorithmus berechnet dann den Ventilströmungskoeffizienten C_v bei Kasten 70, um das Ablassventil 26 bei Kasten 72 zu steuern.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Grundgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Ablassventils zum Ablassen eines Anodenabgases von einem Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Partialdruck von Stickstoff in dem Anodenabgas bestimmt wird; der Partialdruck von Wasserdampf und Wasserstoff in dem Anodenabgas berechnet werden; der Gasstoffmengenanteil des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs in dem Anodenabgas unter Verwendung des Partialdrucks des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs berechnet werden; ein Soll-Ventilströmungskoeffizient unter Verwendung des Gasstoffmengenanteils des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs in dem Anodenabgas berechnet wird; und der Soll-Ventilströmungskoeffizient verwendet wird, um zu bestimmen, wann das Ablassventil öffnen und schließen soll.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen des Soll-Ventilströmungskoeffizienten umfasst, dass die Gasstoffmengenanteile und ein inverses Ventilmodell verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verwenden des inversen Ventilmodells umfasst, dass ein inverses Modell für subkritische Strömung und ein inverses Ventilmodell für kritische Strömung verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Gleichung:
für die subkritische Strömung verwendet wird, und die Gleichung:
für die kritische Strömung verwendet wird, wobei Q eine Strömung ist, C_v der Ventilströmungskoeffizient ist, P₁ ein oberstromiger Druck ist, Y der Ausdehnungsfaktor ist, x das Druckabfallverhältnis ist, x_t das Enddruckabfallverhältnis ist, S_g die spezifische Dichte des Gases durch das Ablassventil ist und T die Temperatur eines Gases ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein Durchfluss von Stickstoff in das Anodenabgas berechnet wird und der Durchfluss des Stickstoffs integriert wird, um den Partialdruck des Stickstoffs zu aktualisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Durchflusses von Stickstoff in das Anodenabgas umfasst, dass die Gleichung verwendet wird:
wobei V_N2 der Volumenstrom von Stickstoff in das Anodenabgas ist,
ein Permeationskoeffizient ist, A die Fläche einer Membran ist,
die Partialdruckdifferenz der Stickstoffpermeation über die Membran ist und t die Dicke der Membran ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen des Partialdrucks von Wasserdampf und Wasserstoff umfasst, dass angenommen wird, dass das Anodenabgas eine relative Feuchte von 100 % besitzt, um den Partialdruck des Wasserdampfs zu bestimmen, und der Partialdruck des Wasserstoffs unter Verwendung des Partialdrucks des Stickstoffs und des Wasserdampfs bestimmt wird, wobei die Kombination des Partialdrucks des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs der gesamte statische Druck in dem Anodenabgas ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ablassventil ein pulsbreitenmoduliertes Solenoidventil ist, das einen bekannten Vollventilströmungskoeffizienten aufweist, und wobei das Schaltverhältnis des Solenoidventils das Verhältnis des Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu dem Vollventilströmungskoeffizienten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist; einem Ablassventil zum periodischen Ablassen von Anodenabgas von dem Anodenausgang; und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Ablassventils, wobei die Steuereinrichtung den Partialdruck von Stickstoff in dem Anodenabgas bestimmt, den Partialdruck von Wasserdampf und Wasserstoff in dem Anodenabgas berechnet, den Gasstoffmengenanteil des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs in dem Anodenabgas unter Verwendung des Partialdrucks des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs berechnet, einen Soll-Ventilkoeffizienten unter Verwendung des Gasstoffmengenanteils des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs in dem Anodenabgas bestimmt, und unter Verwendung des Soll-Ventilströmungskoeffizienten bestimmt, wann das Ablassventil öffnen und schließen soll.
System nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung den Soll-Ventilströmungskoeffizienten unter Verwendung der Gasstoffmengenanteile und eines inversen Ventilmodells berechnet.
System nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung ein inverses Modell für subkritische Strömung und ein inverses Ventilmodell für kritische Strömung verwendet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Gleichung:
für die subkritische Strömung verwendet wird, und die Gleichung:
für die kritische Strömung verwendet wird, wobei Q eine Strömung in Standardkubikfuß pro Stunde ist, C_v der Ventilströmungskoeffizient ist, P₁ ein oberstromiger Druck ist, Y der Ausdehnungsfaktor ist, x das Druckabfallverhältnis ist, x_t das Enddruckabfallverhältnis ist, S_g die spezifische Dichte des Gases durch das Ablassventil ist und T die Temperatur eines Gases ist.
System nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung ferner einen Durchfluss von Stickstoff in das Anodenabgas berechnet und den Durchfluss des Stickstoffs integriert, um den Partialdruck des Stickstoffs zu aktualisieren.
System nach Anspruch 14, wobei die Steuereinrichtung den Stickstoffdurchfluss in dem Anodenabgas unter Verwendung der Gleichung bestimmt:
wobei V_N2 der Volumenstrom von Stickstoff in dem Anodenabgas ist,
ein Permeationskoeffizient ist, A die Fläche einer Membran ist,
die Partialdruckdifferenz der Stickstoffpermeation über die Membran ist und t die Dicke der Membran ist.
System nach Anspruch 10, wobei die Steuereinrichtung annimmt, dass das Rezirkulationsgas eine relative Feuchte von 100 % besitzt, um den Partialdruck des Wasserdampfs zu bestimmen, und den Partialdruck des Wasserstoffs unter Verwendung des Partialdrucks des Stickstoffs und des Wasserdampfs bestimmt, wobei die Kombination des Partialdrucks des Stickstoffs, des Wasserdampfs und des Wasserstoffs der gesamte statische Druck in dem Anodenabgas ist.
System nach Anspruch 10, wobei das Ablassventil ein pulsbreitenmoduliertes Solenoidventil mit einem bekannten Vollventilströmungskoeffizienten ist, und wobei die Steuereinrichtung das Schaltverhältnis des Solenoidventils auf das Verhältnis des Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu dem Vollventilströmungskoeffizienten setzt.
System nach Anspruch 10, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneingang und einen Anodenausgang aufweist; einem Ablassventil zum periodischen Ablassen von Anodenabgas von dem Anodenausgang; und einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Ablassventils, wobei die Steuereinrichtung ein Modell, um die Gaszusammensetzung in dem Anodenabgas zu schätzen, und ein inverses Ventilmodell verwendet, um einen Soll-Ventilströmungskoeffizienten zu berechnen und damit das Anodenabgas mit einem Durchfluss abzulassen, der eine gewünschte Anodenstöchiometrie zur Folge hat.
System nach Anspruch 19, wobei die Steuereinrichtung ein inverses Modell für subkritische Strömung und ein inverses Ventilmodell für kritische Strömung verwendet.