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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Bestimmen und
Regeln der Konzentration von Stickstoffaufbau in einer arbeitenden
Brennstoffzelle, insbesondere das Steuern des Ausblasens von Stickstoff in
einem Anodenkreislauf eines strömungswechselnden
Brennstoffzellensystems und ganz besonders das Vereinfachen eines
Ausblasalgorithmus für
einen strömungswechselnden
Anodenströmungspfad
zum Maximieren von stabilen mittleren elektrischen Spannungen des
Stapels bei gleichzeitigem Minimieren von Wasserstoffverlust während des
Stickstoffausblasens.
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Bei
einem typischen Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff oder ein
wasserstoffreiches Gas durch einen Strömungspfad zur Anodenseite einer
Brennstoffzelle geliefert, während
Sauerstoff (beispielsweise in Form von Luftsauerstoff) durch einen
separaten Strömungspfad
zur Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert wird. In einer Form
der Brennstoffzelle, die als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
(PEM, vom engl. Proton Exchange Membrane) bezeichnet wird, ist ein
Elektrolyt in Form einer Membran zwischen der Anode und Kathode
schichtartig eingeschlossen, um eine Schichtstruktur zu erzeugen,
die häufig
als Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode
Assembly) bezeichnet wird. Jede MEA bildet eine einzelne Brennstoffzelle,
und viele solcher einzelnen Zellen können zum Bilden eines Brennstoffzellenstapels
kombiniert wer den, was die Ausgangsleistung desselben verstärkt. Mehrere
Stapel können
miteinander verbunden werden, um die Ausgangsleistung weiter zu
verstärken.
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Eine
Brennstoffzellen-Auslegung, die besonders brauchbar ist, wird als
strömungswechselndes Brennstoffzellensystem
bezeichnet. Bei einem solchen System sind bei zwei (oder mehr) Stapeln
deren jeweilige Strömungspfade
für Wasserstoff
(oder anderen Brennstoff) fluidisch miteinander in Reihe verbunden,
so dass Öffnungen,
die ein Strömen
von Brennstoff zu und von jedem Stapel ermöglichen, abhängig von
der Strömrichtung
des Brennstoffs nach Wechsel sowohl als Brennstoffeinlass als auch
Brennstoffauslass dienen können.
Das System hat seinen Namen von dem in Reihe eingebauten Anodenströmungspfad
zwischen den zwei Stapeln, da Brennstoff zwischen den Stapeln in
einem halbgeschlossenen zyklischen Muster vor und zurück strömt. Während der
Anodenströmungspfad
eines der Stapel Brennstoff in seinen Anodenströmungspfad aufnimmt, kann der
andere auf diese Weise abgesperrt werden (d. h. stillgelegt werden),
um ein Entweichen des Brennstoffs zu verhindern, der durch die Stapel
geströmt
ist. Nach einem gewissen Zeitraum bewirken eine Kombination von
Ventilen oder ähnlichen
Strömungsmanipulationsvorrichtungen
ein Wechseln der Strömrichtung,
und die Rolle der beiden Stapel wird umgekehrt, so dass das Reaktant
von dem zweiten Stapel und in den jetzt stillgelegten ersten strömt. Auf
diese Weise wird der Brennstoff zwischen den beiden Anodenströmungspfaden
vor und zurück
befördert,
während
dem Stapel, der gerade nicht stillgestellt ist, frischer Brennstoff
zugegeben werden kann. Strömungswechselnde
Brennstoffzellensysteme weisen gegenüber Vorgehen, beispielsweise
Systemen auf der Basis von Anodenströmungspfad-Rezirkulation, Vorteile
auf, da zwar beide zum Verbessern der Hydratation von Anodenströmungspfaden
und der Elektrolyten verwendet werden können, das auf Rezirkulation
basierte System dies aber mit Rezirkulationspumpen und anderen schwergewichtigen
Komponenten ausführt,
die neben dem Steigern von Systemkosten, Gewicht und Komplexität verschleißen können, wodurch
das System größeren Wartungsproblemen
unterliegt. Zudem erfordert die Verwendung solcher Pumpen eine Kraftquelle
(beispielsweise elektrischen Strom), was durch Zufuhr durch den
Betrieb der Brennstoffzellen den Gesamtwirkungsgrad des Systems
mindert.
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Wie
bei den meisten MEA-Brennstoffzellensystemen, die Wasserstoff und
Luft über
einer Membran reagieren, bewirkt der Betrieb eines strömungswechselnden
Brennstoffzellensystems einen Schwund des in dem Kathodenströmungspfads
vorhandenen Sauerstoffs, was nicht reagierten Stickstoff zurücklässt. Die
Diffusion dieses Stickstoffs über
den Membranen der einzelnen Brennstoffzellen und in den Anodenströmungspfad
trägt zur
Verdünnung
des Wasserstoffbrennstoffs bei. Ein solcher Stickstoffaufbau in
dem relativ geschlossenen Anodenströmungspfad kann zu verringerter
elektrischer Spannung des Stapels führen, was wiederum die Ausgangsleistung
und den Stapelwirkungsgrad verringert. Zum Mindern der Wirkungen
von Stickstoffverdünnung
werden Ausblasventile in den Anodenströmungspfad jedes Stapels gesetzt,
um das stickstoffreiche Gas darin abzulassen oder zu spülen. Ein
Weg hierfür
ist das ständige
Ausblasen, was mit sich bringt, dass man die Ausblasventile ständig zwischen
offen und geschlossen wechseln lässt.
Dies ist leider sehr unwirtschaftlich und würde dazu führen, dass auch ansonsten brauchbarer
Wasserstoffbrennstoff aus dem Fahrzeug abgelassen würde. Bei
einem anderen Vorgehen werden die Ventile regelmäßig bei ausgewählten Intervallen
geöffnet,
um ohne die durch das ständige Öffnen und
Schließen
des kontinuierlichen Verfahrens eingeführte Unwirtschaftlichkeit ein
Ausblasen des Stickstoffs und anderer Reaktionsnebenprodukte an
die Atmosphäre
zu ermöglichen.
Dennoch ist dieses Verfahren nachteilig, da, wenn ein zu langer
Zeitraum bis zum Öffnen
der Ausblasventile verstreicht, sich aufgrund einer unzulässig niedrigen
Wasserstoffkonzentration instabile Betriebsbedingungen ergeben können.
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Es
ist möglich,
ein proaktives (d. h. prognostisches) auslöser-basiertes Vorgehen zu verwenden,
das dem System mitteilt, dass es Zeit zum Ausblasen ist. Ein solcher
Auslöser
würde einen
Ausblasablauf vor Auftreten eines Problems aufgrund schlechter Leistung
oder Betriebsfähigkeit,
beispielsweise Sinken der elektrischen Spannung während des
Betriebs, einleiten. Ein Beispiel für einen proaktiven Auslöser könnte ein
Modell des Durchtritts, des sogenannten Crossover, von Stickstoff
sein, das prognostiziert, wieviel Stickstoff sich zwischen den Stapeln
aufgebaut hat. Wenn die Modellprognose zum Beispiel besagt, dass
zwischen den Stapeln achtzig Prozent Wasserstoff vorhanden ist,
und der Schwellwert zum Starten von Ausblasen achtzig Prozent beträgt, dann
könnte
das Ausblasen ausgelöst
werden, nachdem die Modellprognose von einundachtzig Prozent auf
achtzig Prozent fällt.
Dies würde
vermutlich eintreten, bevor eine der Stapelspannungen mit der Wechselperiode
zu schwingen beginnen würde.
Dieses Vorgehen ist nachteilig, da ein inhärenter Betrag prognostischer
Unsicherheit vorliegt, vor allem wenn der Stapel altert und winzige
Löcher
entwickelt, die ein größeres Crossover
zulassen.
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Ein
noch weiteres Beispiel für
einen proaktiven Auslöser
wäre ein
konstantes Ausblasen durch eine feste Öffnung, wobei die Rate des
Crossover von Stickstoff approximiert werden kann; die Ausblaseöffnung ist so
bemessen, dass die Ausblaserate gleich der Crossover-Rate ist. Dieses
Vorgehen hat den Vorteil, dass es einfach ist (da es kein Ventil
erfordert), leidet aber unter dem gleichen vorstehend erwähnten Problem,
dass sich bei Ändern
der Crossover-Rate von Stickstoff im zeitlichen Verlauf (aufgrund
von zum Beispiel der Entstehung von Stiftlöchern im Stapel) die Öffnung zu
klein sein kann, um den aufgebauten Stickstoff schnell genug abzulassen,
um mit der Crossover-Rate Schritt zu halten.
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Bei
einem anderen proaktiven Vorgehen können, um dem System mitzuteilen,
dass es Zeit zum Ausblasen ist, ein oder mehrere Direktwasserstoff-Messsensoren (beispielsweise
eine Wärmeleitfähigkeitsvorrichtung)
zwischen den Stapeln angeordnet werden. Leider ist der Anodenströmungspfad
eine unwirtliche, nasse Umgebung, und das Finden eines Direktwasserstoffmesssensors,
der in einer solchen Umgebung zuverlässig, schnell und präzis misst,
ist schwierig und teuer. Auch wenn ein solches System eingesetzt
werden würde, wäre es wünschenswert,
eine integrierte Sicherungsfunktion zu haben.
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Demgemäß ist es
wünschenswert,
dass ein strömungswechselndes
Brennstoffzellensystem die Verbesserungen der Betriebsfähigkeit
bietet, die durch die Verwendung von Ausblasventilen ermöglicht werden, was
die Systemkomplexität
und Auswirkungen auf den Wirkungsgrad mindert. Weiterhin ist es
wünschenswert,
dass ein System Stickstoff aus einem Anodenströmungspfad entfernt, während das
Spülen
von nicht genutztem Wasserstoff minimiert wird. Des Weiteren ist
es noch wünschenswert,
dass sich ein System und Betriebsverfahren nicht auf ein Prognosemodell
stützen,
sondern stattdessen eine tatsächliche
Rückmeldung
der Leistung des Stapels nutzen. Weiterhin ist es noch wünschenswert,
dass ein solches Vorgehen gegenüber Änderungen
der Stapelleistung aufgrund von Alterung oder dergleichen relativ
unempfindlich ist.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Es
werden ein strömungswechselndes
Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben des Systems
offenbart. Gemäß einer
ersten Aus gestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Das System
umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel und zweiten Brennstoffzellenstapel,
wobei jeder aus zahlreichen einzelnen Brennstoffzellen besteht.
Jede der einzelnen Brennstoffzellen besteht wiederum aus einer Anode,
einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten
Membran. Anoden- und Kathodenströmungspfade
verbinden die jeweiligen Elektroden der einzelnen Brennstoffzellen
innerhalb sowohl des ersten als auch zweiten Stapels mit einer Brennstoff-
bzw. Sauerstoffquelle. Der Anodenströmungspfad verbindet den ersten
und zweiten Stapel fluidisch, damit in dem Anodenströmungspfad
vorhandener Brennstoff abwechselnd zwischen dem ersten und zweiten
Stapel vor und zurück
strömen
kann. Mit dem Anodenströmungspfad
sind ein oder mehrere Ausblasventile fluidisch verbunden, während ein
oder mehrere Sensoren angeschlossen sind, um elektrische Spannungen
entweder in den Stapeln als Ganzes oder in einzelnen Zellen in den
Stapeln zu messen. Das Verfahren umfasst das Einleiten von Brennstoff
in den Anodenströmungspfad,
so dass der Brennstoff durch die Stapel in einer ersten Richtung
strömt,
das Einleiten von Sauerstoff in den Kathodenströmungspfad, das Erfassen mindestens
einer dem Betrieb des Systems zugeordneten Spannungsdifferenz, das
Umkehren des Strömens
von Brennstoff durch den Anodenströmungspfad, so dass der Brennstoff
in einer zweiten Richtung durch Stapel strömt, das Korrelieren der erfassten
Spannungsdifferenz mit einer Brennstoffkonzentration in dem Anodenströmungspfad
und das Stellen des Ausblasventils/der Ausblasventile, um mindestens
einen Teil des in dem Anodenströmungspfad
vorhandenen Fluids entweichen zu lassen. Im vorliegenden Zusammenhang
entsprechen die ersten und zweiten Strömrichtungen des Brennstoffs
der im Allgemeinen vorwärts
und rückwärts gerichteten
Bewegung des Brennstoffs, wenn er zwischen den beiden Stapeln abwechselnd
den Anodenströmungspfad
durchläuft.
Im Allgemeinen sind die erste und die zweite Richtung zueinander
entgegengesetzt. Wie für
den Fachmann verständlich
ist, sind Wasserstoffkonzentrationsabnahmen in dem Anodenströmungspfad
gleichwertig zu einem Stickstoffkonzentrationsaufbau, da der Verbrauch
von Wasserstoff aus dem Strömungspfad
und die Diffusion von Stickstoff in den Strömungspfad im Allgemeinen gleichzeitige
Vorgänge
sind.
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Während des
Brennstoffzellenbetriebs baut sich der Stickstoffgehalt in dem Anodenströmungspfad auf.
Während
jedes halben Betriebszyklus wird frischer Wasserstoff in den einen
oder anderen der Stapel eingeleitet. Auf diese Weise weist der Stapel,
der die frische Brennstoffeinspritzung erhält, einen Anstieg der mittleren
Spannung des Stapels auf, während
die des Stapels am fernen Ende sinkt. Wenn der nächste halbe Zyklus beginnt,
so dass sich ein Wechsel der Strömrichtung
umkehrt, erhält
jetzt der Stapel, der zuvor fern war, frischen Wasserstoff, während der
Stapel, der zuvor den Brennstoff erhielt, fern ist. Während dieses
zweiten halben Zyklus steigt die mittlere Zellenspannung des Stapels,
der den Brennstoff erhält,
an, während
die des jetzt fernen Stapels sinkt. Im vorliegenden Zusammenhang
entspricht ein vollständiger
Betriebszyklus eines Anodenströmungspfads
dem einmaligen Vor- und Zurückströmen (d.
h. in jede der ersten und zweiten Richtung) von Wasserstroff oder
einer Wasserstoff-/Stickstoffkombination.
Dieser abwechselnde Betrieb wird wiederholt. Die Größenordnung
dieser gemessenen Spannungsschwankungen kann mit der Wasserstoffkonzentration
in dem durch den Anodenströmungspfad
strömenden
Fluid korreliert werden. Diese Korrelation kann die Grundlage für das Steuern
des Systems bilden, wobei Beispiele hierfür das Ändern des Arbeitszyklus des Ausblasventils/der
Ausblasventile umfassen können,
die entweder einfache Auf/Zu-Ventile oder ein proportionales Ventil
(d. h. ein Ventil, das einen Öffnungsbereich
von vollständig
geschlossen bis zu vollständig
offen zulässt)
sein können.
Das System kann weiterhin ein Steuergerät umfassen, das mit dem einen
Sensor oder den mehreren Sensoren sowie dem einen Ausblasventil
oder den mehreren Ausblasventilen zusammenarbeitet. Auf diese Weise
führt das
Steuergerät
die Korrelierung zwischen der erfassten Spannung/den erfassten Spannung
und der Brennstoffkonzentration in dem Anodenströmungspfad aus, um zu ermitteln,
ob das Erreichen eines Spannungsdifferenzschwellwerts verwirklicht
ist. Das Steuergerät
kann auch dafür
ausgelegt sein, andere Systemparameter (beispielsweise Systemlast)
zu überwachen,
die zur Ermittlung verwendet werden könnten, wann ein bestimmter
Spannungsdifferenzschwellwert erreicht ist. Auf diese Weise kann
der Spannungsdifferenzschwellwert von anderen Systemparametern abhängig gemacht
werden, um eine Öffnungs- und
Schließfolge
des einen Ausblasventils oder der mehreren Ausblasventile weiter
maßzuschneidern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Korrelation zwischen einem Signal der erfassten Spannung
und der Brennstoffkonzentration in dem Anodenströmungspfad in dem Steuergerät durch
eine Formel oder einen zugehörigen
Algorithmus dargestellt, der als Reaktion auf in das Steuergerät eingegebene
Parameter des Signals der erfassten Spannung eine geeignete Wasserstoffkonzentration
berechnen kann. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird die Korrelation zwischen einem Signal der erfassten Spannung und
der Brennstoffkonzentration in dem Anodenströmungspfad in dem Steuergerät durch
Werte in einer Nachschlagtabelle oder einer ähnliche Datenspeichervorrichtung
dargestellt. In einer Form kann die Spannungserfassung das im Wesentlichen
gleichzeitige Erfassen einer Spannung umfassen, die jedem von ersten
und zweiten Stapel entspricht, (einschließlich das Erfassen der jeweiligen
Spannungen, so dass eine mittlere Spannung in jedem von ersten und
zweiten Stapel ermittelt werden kann). In einer anderen Form kann
die Spannungserfassung das Erfassen zahlreicher Spannungen in einem
der Stapel umfassen, so dass entweder ein mittlerer Wert in diesem
Stapel oder eine hohe und niedrige Spannung in diesem Stapel ermittelt
werden können.
In einer noch anderen Form kann die Spannungserfassung das Erfassen
von Spannungen einer einzelnen Zelle in einem Stapel zu unterschiedlichen
Zeiten umfassen, so dass eine hohe und niedrige Spannung in dieser
Zelle ermittelt werden können.
In dem vorliegenden Zusammenhang bezeichnet der Begriff „im Wesentlichen" eine Anordnung von
Elementen oder Merkmalen, von denen man in der Theorie zwar das
Aufweisen einer exakten Entsprechung oder eines exakten Verhaltens
erwarten würde,
die aber in der Praxis etwas nicht ganz so Exaktes verkörpern können. Daher
bezeichnet der Begriff den Grad, um den ein quantitativer Wert,
eine Messung oder eine andere ähnliche
Darstellung von einer genannten Angabe abweichen kann, ohne zu einer Änderung
der Grundfunktion des fraglichen Gegenstands zu führen. Die
Art und Weise, in der die Sensoren die erfassten Signale detektieren
und vermitteln, kann nach Anforderung des Steuergeräts verändert werden.
Es können
zum Beispiel verschiedene Abtastkonfigurationen wie „Abtasten
und Halten" eingesetzt
werden, um die Spannungsschwankung zu detektieren, die in dem Strömungswechselprozess
eintritt. Da das Steuergerät
zum Regeln des Öffnens
und Schließens
der Ausblasventile veranlasst werden kann, kann es die Ergebnisse
des Abtastens und Haltens nutzen, um die höchsten und niedrigsten Punkte
der Spannungsschwankung herauszusuchen. Es versteht sich für den Fachmann,
dass das Steuergerät
(bei Bedarf) programmiert werden kann, aus anderen Betriebspunkten
der schwankenden Spannung zu wählen.
Es versteht sich ferner, dass die Abtastung der Spannungen und das
Wechseln des Strömens
synchronisiert werden können, was
eine starke, relativ vorhersehbare Rückmeldung ergibt. In einer
anderen Form kann die Abtastung der Spannungen randomisiert werden.
Das Leiten der Messwerte durch einen Filter (beispielsweise einen
Tiefpassfilter) kann eine günstige
Möglichkeit
zum Weiterleiten dieser Werte zum Steuergerät sein.
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Ein
Teil des Stellens des Ausblasventils/der Ausblasventile kann das
Schließen
des Ventils nach dem Verstreichen eines bestimmten Zeitbetrags umfassen.
Die Zeit kann zum Beispiel einem Arbeitszyklus entsprechen, beispielsweise
der Dauer eines vollständigen
Anodenströmungspfad-Betriebszyklus (der
in der Größenordnung
von ein paar Sekunden liegen kann), oder sie kann dem Verstreichen
von Zeit entsprechen, die proportional zur Größenordnung der gemessenen Spannungsdifferenz
ist (zum Beispiel zwischen den zwei Stapeln oder zwischen hohen
und niedrigen Werten innerhalb eines einzelnen Stapels, zwischen
Mittelwerten innerhalb jedes Stapels oder zwischen hohen und niedrigen
Werten innerhalb einer einzelnen Brennstoffzelle). Zum Beispiel
kann der Spannungsdifferenzschwellwert ein absoluter Wert (ausgedrückt in Volt
oder Teilen davon) oder ein Prozentsatz von Stapelspannung sein
und kann durch andere Faktoren wie Systemlast beeinflusst werden.
Ein solches Vorgehen könnte
analog in Situationen verwendet werden, bei denen ein einzelnes Ausblasventil
verwendet wird, wobei das Ventil zwischen dem ersten und zweiten
Stapel fluidisch angeordnet werden kann. Das eine Ausblasventil
oder die mehreren Ausblasventile können als Dreiwegeventile (in
welchem Fall sie auch dazu dienen können, das Einleiten von Brennstoff
in den Anodenströmungspfad
zu ermöglichen)
oder als Zweiwegeventile, in welchem Fall das System auch separate
Brennstoffeinspritzventile umfassen kann, ausgebildet sein. Zudem
können
zwischen den beiden Stapeln ein Ausblasventil oder mehrere Ausblasventile
angeordnet sein. Die Ventile können
ein einfaches Auf/Zu-Ventil oder ein proportionales Ventil sein.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem
offenbart, welches umfasst: einen ersten Stapel, einen zweiten Stapel,
einen zum Befördern
eines Oxidans zu dem ersten und zweiten Stapel ausgelegten Kathodenströmungspfad,
einen zum Anschließen
zwi schen dem ersten und zweiten Stapel ausgelegten Anodenströmungspfad,
so dass ein in dem Anodenströmungspfad
vorhandener Brennstoff zwischen dem ersten und zweiten Stapel abwechselnd
vor und zurück
strömt,
ein Ausblasventil oder mehrere Ausblasventile, die mit dem Anodenströmungspfad
fluidisch verbunden sind, einen Sensor oder mehrere Sensoren zum
Messen einer Spannungsdifferenz und ein mit den Stapeln und dem
Sensor/den Sensoren zusammenwirkendes Steuergerät, so dass bei Empfang von
einem oder mehreren Signalen, die der erfassten Spannungsdifferenz
entsprechen, die einen vorgegebenen Wert übersteigt, das Steuergerät das Ausblasventil/die
Ausblasventile anweist, das Spülen
mindestens eines Teils von in dem Anodenströmungspfad vorhandenem Fluid
zuzulassen.
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Optional
umfasst der vorgegebene Wert einen Wert, der für eine Wasserstoffkonzentration
des Fluids in dem Anodenströmungspfad
charakteristisch ist. Insbesondere wird der für die Wasserstoffkonzentration charakteristische
Wert so gespeichert, dass das Steuergerät auf ihn zugreifen kann, beispielsweise
durch eine integrierte Formel oder einen integrierten Algorithmus,
eine in dem Festwertspeicher gespeicherte Nachschlagtabelle oder
dergleichen. Bei einer bestimmten Option wird auch ein durch das
hierin beschriebene Brennstoffzellensystem angetriebenes Fahrzeug
offenbart. Bei einem solchen Fahrzeug dient das Brennstoffzellensystem
als Quelle für
Antriebskraft.
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Nach
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein strömungswechselndes
Brennstoffzellensystem offenbart. Das System umfasst erste und zweite
Stapel, jeweils mit einem Sensor und zahlreichen einzelnen Brennstoffzellen.
Wie bereits erläutert
kann jede der einzelnen Brennstoffzellen aus einer Anode, einer Kathode
und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Membran
bestehen. Ein Kathodenströmungs pfad
wird zum Befördern
eines sauerstoffhaltigen Fluids (beispielsweise Luft) zu dem ersten
und zweiten Stapel verwendet, während
ein Anodenströmungspfad
zwischen dem ersten und zweiten Stapel angeschlossen ist und zum
fluidischen Verbinden der beiden Stapel miteinander genutzt wird.
Bei dieser Konstruktion strömt
ein in dem Anodenströmungspfad
vorhandenes wasserstoffhaltiges Fluid abwechselnd zwischen dem ersten
und zweiten Stapel in einem Strömungswechselmuster
vor und zurück.
Das System umfasst weiterhin eine oder mehrere Strömungsmanipulationsvorrichtungen,
die mit dem Anodenströmungspfad
fluidisch verbunden sind, während
ein Steuergerät
enthalten ist, das mit den Stapeln in Signalverbindung steht, so
dass bei Empfang von Signalen durch das Steuergerät, die einer
erfassten Spannungsdifferenz entsprechen, das Steuergerät die Strömungsmanipulationsvorrichtung(en)
anweist, das Spülen
mindestens eines Teils von in dem Anodenströmungspfad vorhandenem Fluid
zuzulassen. Die erfasste Spannungsdifferenz ist eine Differenz,
die einen vorgegebenen Wert entweder zwischen den Stapeln oder zwischen
mindestens zwei der mehreren einzelnen Zellen innerhalb mindestens
eines der Stapel übersteigt.
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Optional
können
die eine oder die mehreren Strömungsmanipulationsvorrichtungen
ein oder mehrere Ausblasventile sein. In einer anderen bestimmten
Option besteht die erfasste Differenz aus einer erfassten Spannungsdifferenz.
Insbesondere kann die erfasste Spannungsdifferenz aus einer mittleren
Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Stapel, einer
Spannungsdifferenz zwischen einzelnen Brennstoffzellen in jedem
Stapel oder einer anderen Spannungsdifferenz bestehen, die eine
verringerte Wasserstoffkonzentration in dem wasserstoffhaltigen
Fluid anzeigt. Die Strömungsmanipulationsvorrichtung(en)
kann/können
ein oder mehrere Dreiwegeventile sein. Auf diese Weise kann ein
Ausblasen aus dem Anodenströmungspfad
sowie eine Brennstoffeinspritzung in den Anoden strömungspfad
durch das Ventil gesteuert werden. Analog kann die Strömungsmanipulationsvorrichtung/können die
Strömungsmanipulationsvorrichtungen
aus Zweigwegeventilen bestehen.
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Kurzbeschreibung der mehreren
Ansichten der Zeichnungen
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Die
folgende eingehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung lässt sich
am Besten bei Lesen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen
verstehen, bei denen eine gleiche Struktur mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet ist und wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines einen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems zeigt,
das für
Fahrzeuganwendung ausgelegt ist;
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2 eine
charakteristische einzelne Brennstoffzelle zeigt, die zum Herstellen
des Brennstoffzellenstapels von 1 verwendet
wird;
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3 ein
schematisches Schaubild eines strömungswechselnden Zwei-Stapel-Brennstoffzellensystems
zeigt;
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4 die
Beziehung zwischen erfassten Spannungswerten und einer Abnahme der
Wasserstoffkonzentration in einem Anodenströmungspfad eines strömungswechselnden
Brennstoffzellensystems zeigt, bei dem kein Ausblasventilbetrieb
erfolgte;
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5 eine
Abnahme der Wasserstoffkonzentration in einem Anodenströmungspfad
eines strömungswechselnden
Brennstoffzellensystems zeigt, bei dem ein Ausblasventil geöffnet ist;
und
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6 ein
Fahrzeug zeigt, das das erfindungsgemäße strömungswechselnde Brennstoffzellensystem einsetzt.
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Eingehende Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
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Unter
Bezug zunächst
auf 1 und 6 hebt ein Blockdiagramm die
Hauptbestandteile eines erfindungsgemäßen mobilen Brennstoffzellensystems
(1) sowie eine charakteristische Anordnung eines Brennstoffzellensystems
in einer Kraftfahrzeuganwendung (6) hervor.
Unter Bezug insbesondere auf 1 umfasst
das System 1 ein Reaktantzufuhrsystem 100, das
aus einer Brennstoffquelle 100A und einer Sauerstoffquelle 100B besteht,
ein Brennstoffverarbeitungssystem 200, einen Stapel 3000,
der mehrere Brennstoffzellen 300 enthält, eine oder mehrere optionale
Energiespeichervorrichtungen 400, einen Antriebsstrang 500 und
eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 600, die symbolisch
als Rad gezeigt sind. Eine oder beide der Brennstoff- bzw. Sauerstoffquellen 100A, 100B könnten mittels
eines Tanks oder ähnlichen
Behälters
versorgt werden und können
optional von einem Verdichter oder einer zugehörigen Pumpe druckbeaufschlagt
werden. Während
das vorliegende System 1 für mobile Anwendungen (beispielsweise
Fahrzeuganwendungen) gezeigt wird, versteht sich für den Fachmann,
dass die Verwendung des Stapels 3000 und seiner Zusatzausrüstung gleichermaßen auf
stationäre
Anwendungen übertragbar
ist.
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Das
Brennstoffverarbeitungssystem 200 kann integriert sein,
um einen Rohbrennstoff, wie zum Beispiel Methanol, in Wasserstoff
oder wasserstoffreichen Brennstoff zur Verwendung in der Brennstoffzelle 300 umzuwandeln;
ansonsten ist in Auslegungen, bei denen die Brennstoffquelle 100A bereits
im Wesentlichen reinen Wasserstoff liefert, das Brennstoffverarbeitungssystem 200 eventuell
nicht erforderlich. Die Energiespei chervorrichtungen 400 können in
der Form von einer oder mehreren Batterien, Kondensatoren, Stromwandlern oder
sogar eines Motors zum Umwandeln des von der Brennstoffzelle 300 kommenden
elektrischen Stroms in mechanische Leistung vorliegen, beispielsweise
Drehwellenleistung, die zum Betreiben des Antriebsstrangs 500 oder
von einer oder mehreren Antriebsvorrichtungen 600 verwendet
werden kann. Wie vorstehend erwähnt
sind die Energiespeichervorrichtungen 400 optional; daher
sind sie für
den Betrieb des Systems 1 nicht erforderlich und können bei
bestimmten Auslegungen weggelassen werden.
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Unter
Bezug als Nächstes
auf 2 umfasst die Brennstoffzelle 300 eine
Anode 310, eine Kathode 330 und einen zwischen
der Anode 310 und der Kathode 330 angeordneten
Elektrolyten. In einer bevorzugten Auslegung ist die Brennstoffzelle 300 eine
PEM-Brennstoffzelle, und während
die vorliegende Erfindung besonders auf PEM-Brennstoffzellen anwendbar
ist, liegt die Verwendung anderer Brennstoffzellenauslegungen mit
der vorliegenden Erfindung ebenfalls innerhalb der Reichweite der
vorliegenden Offenbarung. Die Anode 310 umfasst ein im
Allgemeinen poröses
Elektrodensubstrat 312 (auch als Diffusionslage bezeichnet)
sowie eine Katalysatorschicht 314, die mit einem Anodenströmungspfad 316 verbunden
ist. Die Kathode 330 umfasst ein im Allgemeinen poröses Elektrodensubstrat 332 (auch
als Diffusionslage bezeichnet) sowie eine Katalysatorschicht 334,
die mit einem Kathodenströmungspfad 336 verbunden
ist. Zusammen legen die Substrate 312, 332, die
Katalysatorschichten 314, 334 und der Elektrolyt 320 eine
MEA 350 fest. Die Anoden- und Kathodenströmungspfade 316, 336 (die
zum Beispiel als Nute in einer (nicht dargestellten) Bipolarplatte
ausgebildet sein können)
kontaktieren ihre jeweilige Anode und Kathode, um die Zufuhr von
geeigneten Recktanten zu ermöglichen.
Brennstoff (typischerweise in Form von gasförmigem Wasserstoff) kommt mit
einem Katalysator (beispielsweise Platin oder ein verwandtes Edelmetall)
auf der Katalysatorschicht 314 der Anode 3410 in
Kontakt. Eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffbrennstoffs
läuft durch
eine Reaktion ab, die für
eine dissoziative Adsorptionsreaktion gehalten wird, die durch den
Katalysator erleichtert wird. Das an der Anode 310 erzeugte
positiv geladene Wasserstoffion (Proton) passiert dann den Elektrolyt 320,
um mit den an der Kathode 330 erzeugten negativ geladenen
Sauerstoffionen zu reagieren. Das Fließen von befreiten Elektronen
aus der Ionisation des Brennstoffs erzeugt einen elektrischen Strom
durch einen externen Schaltkreis, der die Energiespeichervorrichtungen
oder eine andere Last 400 enthalten kann, so dass ein Motor
oder eine ähnliche, auf
Strom reagierende Vorrichtung eingeschaltet werden kann.
-
Unter
Bezug als Nächstes
auf 3 bis 5 werden ein schematisches Schaubild,
das die Beziehung zwischen den beiden Stapeln 3000A und 3000B zeigt,
die zusammen den Stapel 3000 in dem strömungswechselnden Brennstoffzellensystem 1 bilden,
sowie Kurven, die eine Beziehung zwischen Wasserstoffkonzentration
und Stapelspannungen in einem fiktiven System zeigen, gezeigt. Während die
Stapel 3000A und 3000B fiktiv als erster bzw.
zweiter Stapel bezeichnet werden können, ist die Natur des strömungswechselnden
Systems 1 so, dass der Fachmann verstehen wird, dass solche
Bezeichnungen relativ sind, wobei sie sich mit jedem Halbzykluswechsel
der Strömungsrichtung ändern. In
dieser Auslegung werden Spannungsunterschiede zwischen Stapel 3000A und 3000B mit
einer vorgegebenen Schwellwertspannung (die zum Beispiel in Steuergerät 2000 als
Daten gespeichert ist) verglichen, um zu entscheiden, wann eines
oder beide der Ausblasventile 3500A, 3500B betrieben
werden sollen. Auf diese Weise dient der Spannungsunterschied als
reaktiver (statt als proaktiver) Ausblasauslöser. Ein zweiter reaktiver
Ausblasauslöser
könnte
durch Subtrahieren der Mindestzellspannung von der maximalen Zellspannung
in einem der Stapel 3000A und 3000GB abgeleitet
werden, um eine Span nungsverteilung in der entsprechenden Zelle
zu berechnen. Diese Verteilung nimmt zu, wenn die Stickstoffkonzentration
ansteigt. Die vorliegenden Erfinder haben während Tests, die an einem Modellströmwechselsystem
durchgeführt
wurden, beobachtet, dass es eine Korrelation zwischen dem Wasserstoffanteil
und dem Unterschied zwischen den Spannungen der beiden Stapel gab. Wenn
im Einzelnen der Spannungsunterschied signifikant hoch war, korrelierte
er mit signifikanten Abnahmen der Wasserstoffkonzentration in dem
Anodenströmungspfad.
Unter Bezug insbesondere auf 3 sind Ausblasventile 3500A, 3500B als
Dreiwegeventile ausgelegt. Auf diese Weise können sie Bauteilredundanz reduzieren,
da sie sowohl für
die Ausblasfunktion als auch die Brennstoffeinspritzfunktion verwendet
werden. In einer ersten Stellung würden die Ventile 3500A, 3500B zum
Beispiel Strömen
von dem frischen Wasserstoff aus der Brennstoffzufuhr 100A zu
dem bidirektionalen Segment des Anodenströmungspfads 3100 ermöglichen, das
unter dem Ventil angeordnet ist. In einer zweiten Stellung (in der
kein Ausblasen vorliegt) würde
das Ventil das Strömen
absperren, so dass alle drei Segmente, die mit dem Ventil verbunden
sind, voneinander fluidisch getrennt sind. In der dritten Stellung
würde das
Ventil Strömen
von dem bidirektionalen Segment des Anodenströmungspfads 3100 zu
dem Ausblassegment (als horizontale Leitung gezeigt) ermöglichen.
Wie vorstehend erwähnt
erfolgt das Öffnen
und Schließen
beider Ventile 3500A, 3500B in den beiden Ventilen
typischerweise nacheinander statt gleichzeitig.
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In
einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform könnten die
Wasserstoffeinspritz- und Ausblasfunktionen getrennt sein, so dass
statt Verwenden eines Paars von Dreiwegeventilen ein Vierersatz
von Zweiwegeventile verwendet werden könnte. Bei einer solchen Auslegung
würden
die Einspritzventile, die stromaufwärts derselben einen hohen Druck
haben, die Möglichkeit
des Ausblasens in den stromaufwärts
befindlichen Ab schnitt ausschließen. Es wird allgemein bevorzugt,
das Öffnen
eines Ausblasventils nahe einem arbeitenden Brennstoffzufuhrventil
zu vermeiden, da das Öffnen
des Ausblasventils im Wesentlichen reinen Wasserstoff statt wie
gewollt des Gemisches spülen
würde.
Während
ein zwischen den Stapeln angeordnetes Ausblasventil ständig offen
bleiben könnte,
würden
somit nahe den Brennstoffzufuhrventilen positionierte Ausblasventile
sowohl zueinander als auch bezüglich
des Brennstoffzufuhrventils nahe diesen abwechselnd betrieben werden
müssen.
Das Verwenden eines Dreiwegeventils sowohl für die Brennstoffzufuhr als
auch das Ausblasen würde
auslegungsbedingt einen wünschenswerten
Betrieb sicherstellen. In diesem Fall würde das System eine separate
Leitung und einen Satz Ventile zum Fördern von Druckunterschieden
in der entsprechenden Richtung erfordern. Zum Beispiel könnte ein
Zweiwege-Brennstoffinjektorventil mit der Brennstoffzufuhr verbunden
werden, während
ein separates Zweiwegeventil an dem Ausblassegment platziert werden könnte. Bei
Betrieb würde
die erste Stellung umfassen, dass ein Satz der Zweiwegeventile so
angeordnet ist, dass das Ausblasesegment geschlossen ist und das
Brennstoffzufuhrsegment offen ist. In einer zweiten Stellung würden sowohl
das Ausblase- als auch das Brennstoffzufuhrsegment geschlossen sein,
während
in einer dritten Stellung das Ausblasesegment offen sein würde, während das
Brennstoffzufuhrsegment geschlossen sein würde. Bei einer solchen Auslegung
könnten
die zum Einspritzen von Brennstoff in die Stapel verwendeten Ventile
als Ventilbänke
in einer Anodeneinlasseinrichtung ausgelegt sein, wobei zwei Gruppen
von Ventilen abwechselnd mit einer Brennstoffzufuhr (beispielsweise
durch einen Verteilerblock oder dergleichen) verbunden werden können. Wenn
der Brennstoffstrom durch den Anodenströmungspfad durch jeden seiner
Halbzyklen geht, kann der Strom durch die eine oder andere der Gruppen
in der Bank geführt
werden. Die Anodeneinlasseinrichtung kann mehrere Brennstoffinjektoren
für jeden
Stapel umfassen; eine solche Verwendung von jeweils mehreren Ventilen
ergibt zusätzliche
Flexibilität
beim Verändern
des Bereichs wünschenswerter
Wasserstoffströmraten.
Wenn zum Beispiel drei Injektoren pro Stapel verwendet werden, kann
ein Injektor auf in etwa ein Drittel der maximalen Ausgangsleistung
des Stapels größer ausgelegt
werden. Mittlere Leistungswerte können ebenfalls gehandhabt werden;
wenn zum Beispiel eine Einstellung mit halber Leistung erwünscht wäre, würde ein
Injektor vollständig
offen sein und ein zweiter würde
halb offen sein. Ein programmierbares Logiksteuergerät oder eine
andere Verarbeitungseinrichtung kann zum Vorsehen der erforderlichen
Ventilöffnungs-
und Ventilschließlogik
verwendet werden. Alle diese Steuerfunktionen können in das Steuergerät 2000 als
Module integriert werden, die die Schritte eines Software- oder
Firmware-Programms ausführen
können. Beispiele
für solche
Module können
Speichermodule (zum Beispiel Nachschlagtabellen oder ähnliche
Datenspeicherung), Verkettungsmodule, Prozessor- oder Logikmodule
usw. umfassen. Es versteht sich für den Fachmann, dass zahlreiche
Steuerprogramme zum Öffnen
und Schließen
der Ausblasventile 3500A, 3500B in das Steuergerät 2000 integriert
werden könnten,
darunter unscharfe Logik, Proportional-Integral-Differential (PID)
und dergleichen.
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Auch
wenn sie als Paar von Ausblasventilen 3500A und 3500B gezeigt
werden, die in dem oberen Teil des Anodenströmungspfads 3100 positioniert
sind, kann das erfindungsgemäße System 1 auch
ein einzelnes Ausblasventil nutzen, das in dem unteren Teil des
Anodenströmungspfads 3100 zwischen
den beiden Stapeln 3000A, 3000B angeordnet ist.
Bei einer solchen Auslegung kann der Spül- oder Ausblasbetrieb ständig erfolgen,
wenngleich kurzes, periodisches Öffnen
des Ventils vorteilhaft sein kann. Diese Variante bietet gegenüber dem
vorstehend erläuterten
Vorgehen, bei dem zwei Ausblasventile 3500A, 3500B genutzt
werden, Einfachheit.
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Der
Anodenströmungspfad 3100 legt
eine durchgehende Schleife fest, die sich zwischen einem ersten Satz
von Öffnungen
(fiktiv unten links von jedem der Stapel 3000A, 300B gezeigt)
und zwischen einem zweiten Satz von Öffnungen (fiktiv oben rechts
von jedem der Stapel 3000A, 300B gezeigt) erstreckt.
Diese verschiedenen räumlichen
Hinweisbegriffe wie „oben", „unten" und dergleichen
sind nicht einschränkend
auszulegen, sondern dienen lediglich der Klarheit bei der Beschreibung
der Beispiele und Ausführungsformen
der hierin beschriebenen Erfindung. Es versteht sich zum Beispiel,
dass bezüglich
Ausrichtung die Stapel und andere Komponenten um eine oder mehrere
Achsen gedreht werden könnten,
so dass das, was die oberen und unteren Komponenten festlegt, eine
Sache der Betrachtungsperspektive wird und nicht die Gesamtkonfiguration beeinträchtigen
soll.
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Bei
Betrieb wird Wasserstoff durch eine Pumpe 1000 aus der
Brennstoffquelle 100A in den Anodenströmungspfad 3100 des
oberen Abschnitts gepumpt. In einer anderen (nicht dargestellten)
Ausführungsform kann
die Pumpe 1000 durch eine druckbeaufschlagte Brennstoffquelle
ersetzt werden, beispielsweise einen druckbeaufschlagten Wasserstofftank.
Bei jeder Form von Brennstoffzufuhr und abhängig davon, welche der Ventile 3500A, 3500B offen
sind, strömt
Wasserstoff zu den Anoden des einen oder des anderen der Stapel 3000A, 300B.
Wie vorstehend erläutert
pendelt bei einem Strömungswechselsystem
des Anodenströmungspfads
die Richtung des Anodenstroms vor und zurück, so dass er zwischen den
Stapeln in einem halb geschlossen Muster verläuft. Ein Nachweis für eine solche
Vor- und Zurückbewegung
des Brennstoffs ist in den Teilen des Anodenströmungspfads 3100 ersichtlich,
die mit bidirektionalen Pfeilen gekennzeichnet sind. Ist eines der
Ventile offen, während
das andere geschlossen ist, hat dies die Wirkung, dass das Strömen durch
den Anodenströmungspfad 3100 in
Reihe hervorgerufen wird, was bedeutet, dass zwar der Brennstoff
durch den Anodenströmungspfad 3100 durch
den ersten der Stapel strömt,
das geschlossene Ventil in dem anderen Stapel aber als Sackgasse
für den
Strom wirkt. Wenn zum Beispiel nach willkürlicher Gepflogenheit der Wasserstoff
zuerst in die als zeitweiliger Einlass des Stapels 3000A ausgelegte Öffnung 3010A eingeleitet
wird, ist das Ventil 3500A offen, um das Einleiten von
Brennstoff in den Stapel 3000A zu gestatten. Die Verbindung
der beiden Stapel durch den unteren Abschnitt des Anodenströmungspfads 3100 stellt
sicher, dass nach Passieren des Brennstoffs durch den Stapel 3000A er
dann in den Stapel 3000B eindringt und diesen durchströmt, woraufhin
er durch die als zeitweiliger Auslass ausgelegte Öffnung 3010B tritt,
wo das Ventil 3500B ein weiteres Strömen unterbindet. Bei einem
bevorzugten Vorgehen liegt die Stöchiometrie des in den ersten
Stapel 3000A eindringenden Brennstoffs bei zwei, was bedeutet,
dass genügend
Wasserstoff zum vollständigen
Versorgen von zwei solchen Stapeln vorhanden ist. Während dieses
ersten Teils des Brennstoffströmzyklus
nimmt der erste Stapel 3000A im Wesentlichen reinen Wasserstoff
auf, während
der zweite Stapel 3000B Wasserstoff aufnimmt, der durch
Stickstoff verdünnt
wurde, der von dem Kathodenströmungspfad
durchgesickert ist. Dies bewirkt, dass die in dem ersten Stapel 3000A zu
erzeugende Spannung höher
als die von dem zweiten Stapel 3000B erzeugte ist. Nach
einem gewissen Zeitraum (zum Beispiel ein paar Sekunden) wird die
Wasserstoffzufuhr in den Stapel 3000A abgeschaltet, wobei
sie nun zu dem Stapel 3000B geschaltet wird. Dies bewirkt eine
Strömungsumkehr
(d. h. ein Wechseln), so dass jetzt der zweite Stapel 3000B reinen
Wasserstoff erhält, was
einen Anstieg seiner Spannung hervorruft, während die Spannung des ersten
Stapels 3000A aufgrund des ansteigenden Stickstoffgehalts
fällt.
Wenn der Spannungsunterschied zwischen den beiden Stapeln kurz vor
diesem Wechsel der Strömungsrichtung
am größten ist,
stellt dies einen praktischen Zeitpunkt zum Abtasten der Stapelspannungen
dar, wenngleich solche Abtastungen wie vorste hend erläutert jederzeit
vorgenommen werden könnten.
Zum Beispiel könnten
die Spannungsabtastungen mit größerer Häufigkeit
oder sogar nahezu kontinuierlich vorgenommen werden könnten. In
Situationen, da die Abtastung so zeitgesteuert ist, dass sie mit
bestimmten Schwingungszeiträumen
zusammenfällt,
kann das oben erwähnte
Vorgehen des „Abtastens
und Haltens" zum
Detektieren und Übermitteln
einer Sollspannungsmessung an das Steuergerät verwendet werden. Bei dem
Abtast- und Halte-Vorgehen wird an den absoluten Werten der Differenz
der Stapelspannungen (die im zeitlichen Verlauf gemäß dem Wechselprozess
schwingt, während
die Spannungsamplitude der Stickstoffkonzentration in dem Anodensubsystem
entspricht) ein langsamer Filter angelegt. Durch Aktualisieren eines
gespeicherten maximalen Messwerts der Amplitude, während der
Istwert sein Vorzeichen ändert
und seine maximale Amplitude wieder erreicht, ist die Aufgabe des
Steuergeräts
vereinfacht, da es nur einen neuen Eingabewert erhält, wenn
sich die Amplitude ändert.
Unter einem solchen Betrieb muss das Steuergerät nicht der Spannungsschwingung
folgen. Diese Messung wird ebenfalls ständig mit dem Schwellwert verglichen
und darf jederzeit ein Ausblasen auslösen. Wie vorstehend erläutert, kann
diese Messung auf recht unterschiedliche Weise vorgenommen werden.
Zum Beispiel kann sie auf dem absoluten Wert der Differenz der Spannungen
des ersten und zweiten Stapels 3000A, 300B beruhen
oder auf einer mittleren Differenz der Stapelspannungen beruhen
oder auf der Differenz in einer einzelnen Zelle in einem Stapel
beruhen oder auf einer Differenz zwischen maximalen und minimalen
Spannungen in einem einzelnen Stapel beruhen. Als Alternative zum
Auslösen
des Ausblasbetriebs können
andere Vorgehen verwendet werden, wenn ein Schwellwert überschritten
wird. In Situationen, da das Ausblasen zum Beispiel mit großer Häufigkeit
stattfindet (zum Beispiel bis zu dem Punkt, da es kontinuierlich
oder nahezu kontinuierlich ist), kann die Spannungsdifferenz in den
beiden Stapeln 3000A, 300B zum Ändern des
Differenz drucks über
einem oder beiden der Ausblasventile 3500A, 3500B,
des Öffnens
eines oder beider der Ausblasventile 3500A, 3500B oder
des Arbeitszyklus der Ausblasventile 3500A, 3500B verwendet
werden.
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Basierend
auf der Differenz der Stapelspannungen ermittelt das Steuergerät 2000,
wie viel Anodenströmungspfadgas
(das nun eine Mischung aus Wasserstoff und Stickstoff ist) durch
die Ausblasventile 3500A, 3500B ausgeblasen werden
muss, um eine geeignete Wasserstoffkonzentration in dem Anodenströmungspfad 3100 aufrechtzuerhalten.
In einer Ausführungsform
können
beide Stapelspannungen zum gleichen Zeitpunkt gemessen werden, wobei
wie vorstehend erläutert
diese gleichzeitige Messung periodisch oder im Wesentlichen kontinuierlich
sein kann. Bevorzugt erfolgt die Messung häufiger als die Strömungswechselfrequenz.
Ferner können
wie vorstehend erwähnt
andere Auslegungen andere Messabläufe zulassen, zum Beispiel
Messen von Spannungen in einem einzigen Stapel oder sogar in einer
einzigen einzelnen Zelle in einem Stapel. Vorgegebene Schwellwerte
von Wasserstoff-/Stickstoffanteilen können in einer Vorrichtung mit
formelprogrammierter Logik, einer Nachschlagtabelle oder einer ähnlichen
Speichervorrichtung in dem Steuergerät 2000 gespeichert
werden und können
zum Ermitteln der Bedingungen für
Ausblasventilbetrieb verwendet werden. Diese Werte können auch
für das
Berechnen des erforderlichen Luftstroms, wenn das Ausblasgas von dem
Anodenströmungspfad 3100 in
den Abgasstrom des Kathodenströmungspfads 3400 während Abgasmischens
gemischt wird, brauchbar sein. Zum Beispiel ist es wünschenswert,
die Wasserstoffkonzentration in diesem Strom aus Entflammbarkeitsbedenken
unter einen vorgegebenen Grenzwert zu halten, und die Kenntnis des
Wasserstoff-/Stickstoffverhältnisses
kann zum Sicherstellen dieser Werte genutzt werden. Der Wirkungsgrad
des Brennstoffzellensystems 1 wird durch den Betrieb des
vorliegenden Ansatzes verbessert, da durch Kennen der Anodengaskonzentration
statt Anneh men eine Annahme des schlimmsten Falls für die Anodenwasserstoffkonzentration
(d. h. 100%) den erforderlichen Luftstrom von dem Kathodenströmungspfad 3400 senkt.
Das vorliegende Vorgehen ist auch effizienter als das Stützen auf
ein zeitgesteuertes Öffnen
der Ausblasventile 3500A, 3500B, das nicht die
tatsächlichen
Verringerungen der Spannungsabgabe des Stapels berücksichtigt.
In solchen nicht optimierten zeitgesteuerten Situationen können die
Ausblasventile öffnen,
bevor es erforderlich ist, mit einem damit einhergehenden Spülen von
ansonsten brauchbarem Wasserstoff. Das Steuergerät 2000 (das so programmiert
werden kann, dass es den nachstehend näher erläuterten vorliegenden Algorithmus
enthält)
bestimmt, wann die Ausblasventile 3500A, 3500B wieder
geschlossen werden sollten. Diese Bestimmung kann eine Reihe von
Faktoren von den grob einfachen bis zu differenzierten Faktoren berücksichtigen,
die allesamt in das Steuergerät 2000 eingespeist
werden können.
Ein grob einfaches Vorgehen könnte
zum Beispiel die Ventile anweisen, nur bei Erreichen eines Spannungsdifferenzschwellwerts
zwischen den beiden Stapeln 3000A, 300B zu öffnen, in
welchem Fall das Ausblasen fortgesetzt wird, bis die Messrückmeldung
auf einen Wert unter dem Schwellwert zurückkehrt. Darin kann ein kurzer
Hysteresezeitraum enthalten sein, um sowohl eine Spanne sicherzustellen
als auch um eine geeignete Totzone zu erzeugen. Es versteht sich
für den
Fachmann, dass andere Parameter zum Bewirken von Ventilöffnen und
Ventilschließen
verwendet werden könnten.
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Unter
Bezug insbesondere auf 4 und 5 wird die
Wirkung des Betreibens von Ausblasventilen in einem fiktiven System
mit einem Paar Stapeln, jeder mit zweihundert einzelnen Brennstoffzellen,
gezeigt. In dem in diesen beiden Figuren abgebildeten Beispiel erfolgt
die Spannungsabtastung in jedem der Stapel gleichzeitig, wenngleich
(wie bereits erwähnt)
andere Abtastabläufe
und andere Stapelauslegungen mit gleicher An wendbarkeit eingesetzt
werden könnten.
Die drei Kurven von 4 zeigen Spannungstrends und
einen entsprechenden Wasserstoffanteil in einem Anodenströmungspfad über einem
fiktiven Abtastintervall, wobei zu Beginn des Zyklus Ausblasen vorliegt
(um die Wasserstoffkonzentration im Wesentlichen konstant zu halten),
dann in dem mittleren Teil des Zyklus kein Ausblasen vorliegt (wo
die Wasserstoffkonzentration abnimmt) und dann wieder Ausblasen
nahe dem Ende des Zyklus vorliegt (wo die Wasserstoffkonzentration
wieder ansteigt). In der ersten Kurve von 4 wird eine
von einem der Stapel erzeugte Gesamtspannung gezeigt. Hier ist ersichtlich,
dass die Spannung hoch ist, während
sich der Stapel in der stromaufwärts
befindlichen Hälfte
des Strömungswechselzyklus
befindet, und sie niedrig ist, während
sich der Stapel in der stromabwärts
befindlichen Hälfte
des Strömungswechselzyklus
befindet. Der Schwingungszeitraum ist gleich der Dauer eines Strömungswechselzyklus.
In der zweiten Kurve wird frischer Wasserstoff zugeführt, was
eine nahezu sofortige Zunahme der erfassten Spannungsdifferenz zwischen
den beiden Stapeln bewirkt, woraufhin die Spannungsdifferenz ein
schwingendes Muster annimmt. Die zweite Kurve zeigt auch die Differenz
zwischen dem hohen Spannungswert des stromaufwärts befindlichen Stapels und
dem niedrigen Spannungswert des stromabwärts befindlichen Stapels einen
kurzen Moment vor dem Wechseln der Reihenfolge der Stapel. Die Differenz
wird in einer Abtast- und Halteweise behandelt, um den abhängigen Steueralgorithmen
einen Wert bis zur nächsten
Auswertung kurz vor dem folgenden Stellen der Wasserstoffzufuhrventile
zu liefern. In der dritten Kurve ist ersichtlich, wie die Wasserstoffkonzentration
in dem Anodenströmungspfad
dem Spannungsdifferenztrend der zweiten Kurve folgt. Wenn der Stickstoffbetrag
sehr gering ist, beispielsweise während des Testbeginns, wird
dem stromabwärts
befindlichen Stapel eine nahezu reine Wasserstoffkonzentration ähnlich der
dem stromaufwärts
befindlichen Stapel gelieferten Konzentration geliefert. Daher sind
die Stapelspannungen im Grunde gleich. Nach einer Weile sinkt die
Wasserstoffkonzentration des dem stromabwärts befindlichen Stapel gelieferten
Brennstoffs und verursacht niedrigere Spannungen in dem stromabwärts befindlichen Stapel,
was wiederum zu einer größeren Spannungsdifferenz
im Verhältnis
zu dem mit reinem Wasserstoff versorgten Stapel führt. In 5 wird
die Spannungsdifferenz und die damit einhergehende Wasserstoffkonzentration
nach Einleiten einer Ausblasaktivität dargestellt. Nach einer anfänglichen
Einstellungsphase, in der es etwa vier Sekunden bis zum Reagieren
der Spannung und etwa sieben Sekunden bis zum Ansteigen der Wasserstoffkonzentration
dauert, wird die Spannungsdifferenz minimiert (wobei sie in der
vorliegenden Kurve typischerweise bei oder nahe etwa 0,1 Volt bleibt)
und bleibt stabil. Dies liegt weit unter einem Spannungsdifferenzschwellwert,
der für
den Betrieb der fiktiven Systeme festgelegt ist; wenn eine Differenz
größer als
der Schwellwert gemessen würde,
dann kann der Ausblasalgorithmus dafür ausgelegt sein, für einen
zusätzliche Zeitraum
ein zu bleiben. In dem vorliegenden Beispiel dauert dieser dreizehn
Sekunden, auch wenn basierend auf der Stabilität der Spannungsdifferenz diese
Dauer verkürzt
werden könnte.
Eine zweite wichtige gemachte Beobachtung ist, dass die Wasserstoffkonzentration
zwischen den beiden Stapeln im Allgemeinen ansteigt, während das
Ausblasen erfolgt. Dies steht im Gegensatz zu dem Szenario von 4,
bei dem kein Ausblasen vorliegt und die Wasserstoffkonzentration
sinkt.
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Wie
vorstehend erwähnt
kann die Korrelation der Wasserstoffkonzentration zu Spannungsdifferenzen aus
einer Nachschlagetabelle oder einer ähnlichen Erfassung gespeicherter
Daten abgeleitet werden. Ein anderes Vorgehen zum Ermitteln von
Wasserstoffkonzentration basierend auf erfassten Spannungen kann
durch einen Algorithmus erfolgen, der in das programmierbare Logiksteuergerät oder eine ähnliche
Vorrichtung oder ein ähnliches
Modul des Steuergeräts
programmiert werden kann. Die folgen de Formel (die für ideale
Strömungsbedingungen
verallgemeinert ist) gibt eine Vorstellung, wie die Zellenspannungen
mit abnehmendem Anodenwasserstoffpartialdruck an dem Anodenkatalysator
abnehmen:
wobei F die Faradaysche Konstante
(96.485 Coulomb/Mol) ist, R die molare Gaskonstante (8,314 J/mol/K)
ist, T
0 die Standardtemperatur (298,15 K)
ist, p
0 der Standarddruck (1,0 bar) ist,
S die Molreaktionsentropie (J/mol) ist, T die Temperatur (K) ist,
U
0 die offene Zellenspannung (V) ist, U
0 die offene Zellenspannung bei Standardbedingung
(V) ist und cat am Katalysator gemessen wird.
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Wie
vorstehend angezeigt kommuniziert das Steuergerät 2000 mit den verschiedenen
Bestandteilen des Brennstoffzellensystems 1, um deren Betrieb
zu steuern und zu koordinieren. Das Steuergerät 2000 kann zum Beispiel
veranlasst werden, mit Pumpen 1000 oder einer anderen Quelle
von druckbeaufschlagtem Brennstoff (beispielsweise einem Brennstofftank)
zu kommunizieren, um das Strömen
von Anoden- und Kathodenreaktant, das den Brennstoffzellenstapeln 3000A, 3000B geliefert
wird, zu steuern. Das Steuergerät 2000 kann
auch für
andere Brennstoffzellenfunktionen verwendet werden, beispielsweise
das Betreiben eines Kühlmittelzufuhrsystems
(nicht dargestellt). Das Steuergerät 2000 empfängt auch
Signale von Sensoren S, um sie mit gespeicherten Werten zu vergleichen.
Das Steuergerät 2000 sendet
weiterhin Steuersignale (d. h. Öffnungs-
oder Schließsignale)
zu den Ventilen 3500A, 3500B, um den Strömungswechsel
sowie den Ausblasventilbetrieb zu bestimmen. Wenn zum Beispiel die
Sensoren S eine Spannungsdifferenz zwischen beiden Stapeln 3000A, 3000B messen,
die unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt (in einer Auslegung, bei
der die Spannungserfassung zwischen den beiden Stapeln erfolgt),
oder wenn die Spannungsdifferenz zwischen einem einzelnen Stapel 3000A oder 3000B und
einer einzelnen Zelle 300 in einem der Stapel erfolgt (in
einer Auslegung, bei der die Spannungserfassung zu zwei verschiedenen
Zeitpunkten in dem gleichen Stapel oder der gleichen Zelle erfolgt),
kann ein solcher Wert bei Vergleich mit der in dem Steuergerät 2000 gespeicherten Logik
zum Stellen eines oder mehrerer der Ventile verwendet werden. Das
Steuergerät 2000 wird
vorliegend als einzelnes Steuergerät gezeigt; es versteht sich
aber für
den Fachmann, dass ein Satz von mehreren verteilten Steuergeräten, deren
Arbeitsgänge
koordiniert werden, ebenfalls verwendet werden kann. In jeder Auslegung
kann das Steuergerät 2000 eine
oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs)
oder ähnliche
Module umfassen, die die erwünschte
Funktionalität
liefern. Solche Vorrichtungen können ein
Steuergerät
programmierbarer Logik oder eine andere Verarbeitungseinrichtung
ausbilden. Sie können weiterhin
gemeinsam genutzte, dedizierte oder Gruppenprozessoren, eine unterstützende elektronische Schaltung
und einen Speicher umfassen, die zusammen ein oder mehrere Software-
oder Firmwareprogramme ausführen.
In einem solchen Fall könnte
die vorstehend erläuterte
Formel die Grundlage für
einen Algorithmus bilden, der in ein ASIC, Modul oder in eine andere
Logikvorrichtung in dem Steuergerät 2000 programmiert
und von diesen verwendet werden könnte, um die Zeitpunkte des
Strömungswechsels,
die Befehle für Ausblasventilöffnen und
-schließen
oder dergleichen zu beeinflussen.
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Die
Sensoren S können
zum Liefern von Rückmeldung
an das Steuergerät 2000 dienen,
die bestimmte von dem Steuergerät 2000 durchgeführte Maßnahmen
anzeigt. Zum Beispiel liefern die Sensoren eine Rückmeldung
zur Wirkung des Ausblasventilöffnens
auf die Spannung in den Stapeln 3000A, 3000B.
Einer der Vorteile bei der Verwendung herkömmlicher Spannungssensoren
ist ihre inhärente
Robustheit. Statt Direktwasserstoffmessvorrichtungen wie zum Beispiel
Wärmeleitfähigkeitssensoren,
Massenspektrometer, Gaschromatographen oder dergleichen zu verwenden
(die teuer und relativ zerbrechlich sind, zwei Merkmale, die im
Allgemeinen nicht mit Fahrzeug- oder anderen mobilen Anwendungen
kompatible sind), kann die vorliegende Erfindung Sensoren S nutzen,
die über
längere
Betriebszeitraume hoher Feuchtigkeit und schwingender Umgebung standhalten
können.
Während
die Sensoren S mit jedem der Stapel 3000A und 3000B verbunden
gezeigt werden, um darin Spannungswerte zu messen und ein den erfassten
Parameter entlang einer oder mehrerer Signalführungsleitungen zu dem Steuergerät 2000 zu übertragen,
können
sie auch an anderer Stelle in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet
sein, um geeignete Signale zu messen und zu übertragen. Ein Beispiel kann
ein Sensor sein, der zum Messen des Öffnungsgrads der Ausblasventile 3500A, 3500B ausgelegt
ist.
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Wie
bereits erwähnt
kann, wenn das Steuergerät 2000 Spannungsdifferenzwerte
detektiert, die unter einem vorgegebenen Bereich liegen, das Steuergerät 2000 die
Ausblasventile 3500A, 3500B öffnen, um den Stickstoffanteil
in dem Anodenströmungspfad 3100 zu
senken. Bei der in 3 abgebildeten Auslegung mit zwei
Stapeln wird der Wasserstoffanteil durch Vergleich des Spannungsmesswerts
in einem ersten Stapel 3000A, dem im Wesentlichen reiner
Wasserstoff zugeführt
wird, mit dem eines zweiten Stapels 3000B, bei dem der
zugeführte
Wasserstoff mit einer unbekannten Menge an Stickstoff vermischt
ist, geschätzt.
Messungen von Spannungen in verschiedenen Stapeln zur gleichen Zeit
oder in dem gleichen Stapel zu verschiedenen Zeiten können (zum
Beispiel mit der vorstehend erläuterten
Formel) verwendet werden, um den Wasserstoffanteil zu schätzen. Vorteile
in Verbindung mit dem vorliegenden Vorgehen umfassen keine zusätzlichen Bauteilkosten
(da die Sensoren bereits zum Überwachen
von Stapel spannungswerten verwendet werden), eine mögliche verbesserte
Systemhaltbarkeit (da weniger trockener Wasserstoff in das System
eingespritzt wird), verbesserter Wirkungsgrad (da weniger brauchbarer
Wasserstoff während
des Ausblasventilöffnens
abgelassen wird) und verbesserter transitorischer Betrieb (da die
Wasserstoffkonzentration nicht auf einen solch niedrigen Wert fallen
darf, dass sich Instabilitäten
ergeben).
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Während bestimmte
charakteristische Ausführungsformen
und Einzelheiten zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt
wurden, ist für
den Fachmann nahe liegend, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden
können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, die in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist.
