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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Genauer betrifft die Erfindung 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 werden, 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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Ein anderes Brennstoffzellensystem mit einem Ausblasventil wird beispielsweise in der
DE 10 2004 031 162 A1 beschrieben. Dieses System weist zwei Brennstoffzellenstapel auf, die mit einem dafür ausgelegten Anodenströmungspfad so ausgelegt sind, dass Brennstoff zwischen dem ersten und dem zweiten Stapel vor- und zurückströmen kann. In dem Strömungspfad befindet sich das Ausblasventil. Bei einem Steuerszenario basiert die Zeit für das Spülen des Anodenströmungspfads des Brennstoffzellensystems auf einem spezifischen Betriebsparameter, wie zum Beispiel die Zellenspannung und die Zellenstabilität der einzelnen Stapel und Zellen. Wenn dieser überwachte Parameter einen Schwellenwert erreicht, wird durch einen Mikroprozessor das Spülen des Anodenströmungspfads veranlasst.
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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.
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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 wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems offenbart. 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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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 Anodensträmungspfad 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 Energiespeichervorrichtungen 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 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 Reaktanten 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 310 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.
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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 andern. 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 3000B abgeleitet werden, um eine Spannungsverteilung 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 Abschnitt 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, 3000B gezeigt) und zwischen einem zweiten Satz von Öffnungen (fiktiv oben rechts von jedem der Stapel 3000A, 3000B 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, 3000B. 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 vorstehend 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, 3000B 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, 3000B zum Ändern des Differenzdrucks 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 Annehmen 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, 3000B 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 Anwendbarkeit 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 folgende 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 (100 kPa) ist, S die Molreaktionsentropie (J/mol/K) 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 kompatibel 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 Stapelspannungswerten 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).
