DE102008006726B4

DE102008006726B4 - Brennstoffzellensystem zur Steuerung von Wasserstoffemissionen während Aufwärtstransienten und eines Kathodenpulsierens

Info

Publication number: DE102008006726B4
Application number: DE102008006726.1A
Authority: DE
Inventors: Prasad Gade; Jon R. Sienkowski; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2028-01-31
Also published as: DE102008006726A1; US20080182142A1; US7862941B2

Abstract

Brennstoffzellensystem umfassend:
einen Brennstoffzellenstapel, der einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel umfasst;
einen Verdichter, der einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels Kathodeneingangsluft liefert;
ein Umleitventil, um es der Kathodeneingangsluft zu ermöglichen, den Brennstoffzellenstapel auf einer Umgehungsleitung zu umgehen;
ein Anodenabgas-Abblaseventil zum Abblasen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel, wobei das abgeblasene Anodenabgas mit Kathodenabgas gemischt wird; und
ein Steuergerät zum Steuern des Abblasens von Anodenabgas, wobei das Steuergerät eine Rate des Schließens des Umleitventils und einen Anstieg des Luftstroms von dem Verdichter überwacht, wobei, wenn die Rate des Schließens des Umleitventils und die Rate des Anstiegs des Luftstroms vorbestimmte Schwellenwerte übersteigen, das Steuergerät einen ersten vorbestimmten Zeitraum lang ein Senden eines Abblasebefehls an das Anodenabgas-Abblaseventil verhindert.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System zum Steuern eines Abblasens von Anodenabgas und insbesondere ein System zum Steuern eines Abblasens von Anodenabgas während Leistungsaufwärtstransienten und eines Kathodenpulsierens.
2. Erörterung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode gespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen wandern durch den Elektrolyt zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt treten und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine beliebte Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln gelagert sind und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus katalytischer Mischung der Anode, katalytischer Mischung der Kathode und der Membran definiert eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly). MEAs sind relativ teuer in der Fertigung und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die Sollleistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktantgas auf, typischerweise einen von einem Verdichter durch den Stapel gedrückten Luftstrom. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der aus dem Stapel kommenden Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktantgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömkanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind.
Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömkanäle vorgesehen, die das Anodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengas-Strömkanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömkanäle, und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömkanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, beispielsweise Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömkanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Bei Kraftfahrzeuganwendungen sind typischerweise etwa 400 Brennstoffzellen erforderlich, um die Sollleistung bereitzustellen. Da für den Stapel in Brennstoffzellensystemauslegungen für Kraftfahrzeuge so viele Brennstoffzellen erforderlich sind, wird der Stapel manchmal in zwei Unterstapel unterteilt, die jeweils etwa 200 Brennstoffzellen umfassen, da es schwierig ist, ein gleichmäßiges Strömen von Wasserstoffgas durch so viele Brennstoffzellen parallel in effektiver Weise vorzusehen.
Es wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, in einem Brennstoffzellensystem, das geteilte Stapel nutzt, ein Wechseln der Stapelreihenfolge oder ein Umschalten der Anodenströmung vorzusehen. Insbesondere werden geeignete Ventile und Installationen in dem System so vorgesehen, dass während eines Umschaltens der Strömung in zyklischer Weise das aus einem ersten Unterstapel austretende Anodengas zur Anodenseite eines zweiten Unterstapels geschickt wird und das aus dem zweiten Unterstapel austretende Anodengas zu der Anodenseite des ersten Unterstapels geschickt wird. Während eines Abblasens von Anodenabgas wird das aus dem zweiten Unterstapel austretende Anodengas zu dem Systemabgas geleitet.
Die MEAs sind porös und ermöglichen somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels durch diese dringt und sich in der Anodenseite des Stapels sammelt, was in der Branche als Stickstoffdurchtritt bezeichnet wird. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, so dass bei einem Anstieg der Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz hinaus der Brennstoffzellenstapel instabil wird und ausfallen kann. Im Stand der Technik ist es bekannt, ein Abblaseventil zum Entfernen von Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu verwenden.
Das Anodenabgas, das regelmäßig abgeblasen wird, umfasst typischerweise eine erhebliche Menge an Wasserstoff. Da sich der Wasserstoff mit Luft mischt, wenn er an die Umgebung abgelassen wird, kann ein potentielles brennbares Gemisch entstehen, das offensichtliche Sicherheitsprobleme mit sich bringt. Im Stand der Technik ist es bekannt, das abgeblasene Gas zu einem Brenner zu leiten, um den Großteil oder den gesamten Wasserstoff darin zu verbrennen, bevor das abgeblasene Gas an die Umgebung abgelassen wird. Der Brenner steigert aber Kosten, Gewicht und Komplexität des Brennstoffzellensystems erheblich, was unerwünscht ist.
Im Stand der Technik ist es auch bekannt, auf den Brenner zu verzichten und das abgeblasene Gas direkt mit dem Kathodenabgas zu mischen. Wenn das abgeblasene Gas ohne eine Steuerung direkt mit dem Kathodenabgas gemischt wird, ist die Wasserstoffmenge in dem abgeblasenen Gas unbekannt. Ein Wasserstoffkonzentrationssensor kann in der Kathodenabgasleitung nach dem Mischpunkt mit dem abgeblasenen Gas vorgesehen sein, um die Wasserstoffkonzentration zu detektieren. Der Wasserstoffkonzentrationssensor wird dem Steuergerät während des Abblasens ein Signal liefern, das die Wasserstoffkonzentration in dem gemischten Abgas anzeigt. Wenn die Wasserstoffkonzentration zu hoch ist, wird das Steuergerät die Drehzahl des Verdichters anheben, um zum Senken der Wasserstoffkonzentration mehr Kathodenabgas bereitzustellen. Wenn der Verdichter die Wasserstoffkonzentration nicht effektiv unter dem sicheren Grenzwert für die Stapellast halten kann, dann muss das Steuergerät das Abblaseventil schließen oder den Anodendruck verringern. Der Wasserstoffsensor muss aber kostengünstig sein und gegenüber der Feuchtigkeit des Abgases beständig sein. Derzeit können bekannte Wasserstoffkonzentrationssensoren diese Bedingungen nicht erfüllen.
Typischerweise werden Algorithmen genutzt, um die Stickstoffkonzentration in der Anodenseite des Stapels zu schätzen, wobei mehrere auf den Betriebsbedingungen des Systems beruhende Eingabeparameter verwendet werden, und um ein Anodenabgasabblasen auszulösen, wenn die geschätzte Stickstoffkonzentration einen vorbestimmten Pegel erreicht. Während eines Anodengasabblasens wird der Druck über dem Abblasesteuerventil gesteuert.
Das Steuern der Wasserstoffkonzentration in dem Systemabgas während eines Anodenabgasabblasens ist während Leistungsaufwärtstransienten des Stapels und eines Kathodenpulsierens besonders mühselig. Vor einer Leistungsaufwärtstransiente oder einem Kathodenpulsieren wird das Anodenabgas typischerweise in kurzen Pulsen in das Kathodenabgas stromaufwärts eines Kathodenumleitventils abgeblasen, das es der Kathodenluft ermöglicht, den Brennstoffzellenstapel zu umgehen. Bei niedriger Stromdichte reicht die Kathodenabgasströmung nicht aus, um den Wasserstoff des Anodenabgases auf einen Wert unter einer Sollkonzentration zu verdünnen, und daher wird dem Kathodenabgas von dem Verdichter durch das Umleitventil Luft zugegeben. Während Leistungsaufwärtstransienten oder eines Kathodenpulsierens wird Luft von dem Umleitventil zu dem Kathodeneinlass umgeleitet, so dass die maximale Luftmenge zum Bereitstellen der Leistungsaufwärtstransiente zum Stapel geschickt wird. Während dieses Zeitraums kann ein Anodenabblasen angeordnet werden, um die Stickstoffkonzentration zu reduzieren, wobei die Luft des Kathodenabgases zum Verdünnen des Wasserstoffs eventuell nicht ausreicht. Ferner ist der Verdichter nicht in der Lage, durch das Umleitventil zusätzliche Luft bereitzustellen, da seine Kapazität für das Erfüllen der Leistungsaufwärtstransienten erforderlich ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 026 330 A1 , die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung offengelegt wurde, beschreibt ein herkömmliches Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Verdichter, einem Umleitventil, einem Anodenabgas-Abblaseventil zum Abblasen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel und einem Steuergerät zum Steuern des Abblasens von Anodenabgas.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach der erfindungsgemäßen Lehre wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein Abblasen von Anodenabgas während Leistungsaufwärtstransienten und eines Kathodenpulsierens steuert. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Umleitventil, das es einer Verdichterluft erlaubt, den Brennstoffzellenstapel zu umgehen und direkt in den Kathodenabgasstrom abgegeben zu werden. Das System detektiert eine Leistungsaufwärtstransiente durch Überwachen der Rate des Schließens des Umleitventils und der Änderungsrate eines Anstiegs des Sollwerts des Verdichterluftstroms. Wenn sowohl die Rate des Schließens des Umleitventils als auch die Änderungsrate des Sollwerts des Verdichterluftstroms einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, dann ermittelt das System, dass eine Leistungsaufwärtstransiente vorliegt, und verhindert einen vorbestimmten Zeitraum lang ein Abblasen von Anodenabgas. Wenn ein Kathodenpulsieren auftritt, wobei Leistungsaufwärtstransienten nacheinander kommen, dann setzt das System den Zeitraum ständig zurück, um das Abblasen des Anodenabgases bis zum Erreichen eines zweiten Zeitgrenzwerts zu verhindern, bei dem das Abblasen dann erzwungen wird. Erfindungsgemäß umfasst der Brennstoffzellenstapel einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einen Algorithmus zum Steuern eines Abblasens von Anodenabgas während Leistungsaufwärtstransienten und eines Kathodenpulsierens verwendet.
Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Erörterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, das einen Algorithmus zum Steuern eines Abblasens von Anodenabgas während Leistungsaufwärtstransienten und eines Kathodenpulsierens verwendet, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihren Anwendungen oder Gebrauchsmöglichkeiten beschranken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem ersten geteilten Brennstoffzellenstapel 12 und einem zweiten geteilten Brennstoffzellenstapel 14. Ein Verdichter 16 liefert an einer Kathodeneingangsleitung 18 Kathodeneingangsluft durch ein normalerweise geschlossenes Kathodeneingangsventil 20 an die geteilten Stapel 12 und 14. Ein Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel auf einer Leitung 24 ausgegeben und ein Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel 14 auf einer Leitung 26 ausgegeben, wobei das Kathodenabgas in einer einzigen Kathodenausgangsleitung 28 vereint wird. Ein normalerweise geschlossenes Kathodengegendruckventil 30 steuert das Strömen des Kathodenabgases durch die Leitung 28. Eine zwischen der Eingangsleitung 18 und der Ausgangsleitung 28 vorgesehene Kathodenumgehungsleitung 32 ermöglicht es der Kathodeneingangsluft, die Stapel 12 und 14 zu umgehen. Ein normalerweise geschlossenes Umleitventil 34 steuert, ob die Kathodenluft die Stapel 12 und 14 umgeht. Wenn das Ventil 34 offen ist, dann umgeht Luft von dem Verdichter 16 die Stapel 12 und 14. Das Ventil 34 kann so gesteuert werden, dass ein Teil der Verdichterluft die Stapel 12 und 14 umgeht und ein Teil der Verdichterluft durch die Stapel 12 und 14 strömt.
In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform nutzen die geteilten Stapel 12 und 14 ein Umschalten der Anodenströmung, wobei das Anodenreaktantgas mit einem vorbestimmten Zyklus in einer Weise durch die geteilten Stapel 12 und 14 vor und zurück strömt, die dem Fachmann gut bekannt ist. In abwechselnder Folge spritzt ein Injektor 38 Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffgasquelle 40 durch eine Anodenleitung 42 zu dem geteilten Stapel 12 ein und ein Injektor 44 spritzt Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 46 durch eine Anodenleitung 48 zu dem geteilten Stapel 14 ein. Das Umschalten der Anodenströmung wird mit einem vorbestimmten Arbeitszyklus zyklisch vor und zurück ausgeführt, wobei nur einer der Injektoren 38 oder 44 zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt Wasserstoff in den Stapel 12 oder 14 einspritzt. In den Stapel 12 strömendes Wasserstoffgas strömt durch eine Verbindungsleitung 54 zu dem Stapel 14 und in die Anodenleitung 48. Analog strömt in den Stapel 14 strömendes Wasserstoffgas durch die Verbindungsleitung 54 zu dem Stapel 12 und in die Anodenleitung 42.
Wie vorstehend erläutert verdünnt ein Stickstoffdurchtritt von der Kathodenseite der Brennstoffzellenstapel 12 und 14 das Wasserstoffgas in der Anodenseite, was die Leistung des Stapels beeinflusst. Daher ist es erforderlich, das Anodenabgas regelmäßig abzublasen, um die Stickstoffmenge in der Anodenseite der Stapel 12 und 14 zu verringern. Wenn das System 10 ermittelt, dass ein Stickstoffabblasen erforderlich ist, öffnet es abhängig davon, welcher Injektor 38 oder 44 gerade in Betrieb ist, entweder ein Abblaseventil 50 oder ein Abblaseventil 52. Wenn insbesondere der Injektor 38 ein ist, dann wird das Ventil 52 geöffnet und das Ventil 50 geschlossen, so dass durch die Leitung 48 strömendes Anodenabgas durch das Ventil 52 und in die Kathodenabgasleitung 28 strömt. Wenn analog der Injektor 44 ein ist, wird das Ventil 50 geöffnet und das Ventil 52 geschlossen, so dass das aus dem Stapel 12 auf die Leitung 42 strömende Anodenabgas durch das Ventil 50 und in die Kathodenabgasleitung 28 strömt. Bei bestimmten Brennstoffzellensystemauslegungen ist es wünschenswert, den Prozentsatz an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas bei unter 2 Volumenprozent, nur für ein paar Sekunden zwischen 2 und 4 Volumenprozent und nie über mehr als 4 Volumenprozent zu halten.
Während Betriebsbedingungen niedriger Leistung oder niedriger Stapellast ist das Umleitventil 34 typischerweise geöffnet oder teilweise geöffnet, so dass ein Teil des Luftstroms von dem Verdichter 16 durch das Ventil 34 strömt und die Stapel 12 und 14 umgeht. Das zumindest teilweise Offenhalten des Ventils 34 ist erwünscht, um eine Verdichterdruckschwankung zu verhindern. Daher befindet sich typischerweise genügend Luft in der Kathodenabgasleitung 28, um irgendwelchen Wasserstoff auf einen Wert unter dem Sollprozentsatz zu verdünnen, der aus der Anodenseite der Stapel 12 und 14 durch die Ventile 50 und 52 abgeblasen werden kann. Während einer Leistungsaufwärtstransiente, beispielsweise von Leerlauf zu 20 KW, wird die gesamte Verdichterluft jedoch von den Stapeln 12 und 14 zum Erreichen der Leistungsforderung benötigt. Eine Leistungsaufwärtstransiente kann in einer beliebigen geeigneten Weise als vorbestimmter Anstieg der Stapellast bei einer bestimmten Rate festgelegt werden. Daher ist das Umleitventil 34 während der Leistungsaufwärtstransiente geschlossen. Zum Zeitpunkt der Leistungsaufwärtstransiente wird aber irgendwelcher Wasserstoff, der zuvor in die Leitung 28 abgeblasen wurde, nicht verdünnt, da Luft zu den Stapeln 12 und 14 umgeleitet wurde.
Das System 10 umfasst ein Steuergerät 60, das die verschiedenen Ventile, Injektoren, den Verdichter, etc. in dem System 10 steuert. Das Steuergerät 60 empfängt ein Leistungsausgangssignal von den Stapeln 12 und 14. Das Steuergerät 60 nutzt die verschiedenen Eingaben und im Allgemeinen die Fahrergaspedaleingabe als Eingaben an einen komplexen Algorithmus, um einen Luftstrom-Sollwert des Kathodenluftstroms zu den Stapeln 12 und 14 von dem Verdichter 16 zu ermitteln. Weiterhin überwacht das Steuergerät 60 die Rate, mit der das Umleitventil 34 schließt.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Algorithmus vor, der ein Kathodenpulsieren und Leistungsaufwärtstransienten detektiert und den Anodenabgas-Abblasebefehl einen kurzen Zeitraum lang aussetzt, um Wasserstoff in dem Abgas zu beschränken. Zum Detektieren von Leistungsaufwärtstransienten oder eines Kathodenpulsierens überwacht der Algorithmus die Rate des Schließens des Umleitventils 34 und die Rate des Anstiegs des Luftstrom-Sollwertbefehls zu dem Verdichter 16. Wenn das Steuergerät 60 ermittelt, dass das Umleitventil 34 mit einer Rate über einem vorbestimmten Schwellenwert schließt und der Luftstrom-Sollwert des Verdichters mit einer Rate über einem vorbestimmten Schwellenwert steigt, dann weiß das Steuergerät 60, dass eine Leistungsaufwärtstransiente auftritt, bei der in dem Kathodenabgas nicht genügend Luft vorhanden sein kann, um den Wasserstoff während eines anodenseitigen Abblasens zu verdünnen. Daher verhindert das Steuergerät 60 ein Anodenabgasabblasen einen vorbestimmten Zeitraum lang nach dem Detektieren der Leistungsaufwärtstransiente, so dass die Wasserstoffmenge in dem Abgas nicht den maximalen Grenzwert überschreitet. In einem nicht einschränkenden Beispiel beträgt die Zeit, für die das Abblasen von Anodenabgas verhindert wird, etwa drei Sekunden. Nach Verstreichen des vorbestimmten Zeitraums sollte die Leistungsaufwärtstransiente erfüllt sein, wobei das Umleitventil 34 nun offen genug ist, so dass ein Abgasabblasen sicher erfolgen kann. Selbst wenn der Algorithmus, der zum Ermitteln, dass ein Anodenabgasabblasen erforderlich ist, verwendet wird, verhindert das System 10 somit das Abblasen für den vorbestimmten Zeitraum.
Während bestimmter Betriebsbedingungen können die Stapel 12 und 14 auf ein Kathodenpulsieren reagieren, wobei Leistungsaufwärtstransienten infolge des Gasgebens, des Gaswegnehmens, des Gasgebens etc. des Fahrers des Fahrzeugs mit regelmäßigen Intervallen auftreten. Wenn das System 10 detektiert, dass sich das Umleitventil 34 erneut mit einer vorbestimmten Rate über einem gewissen Schwellenwert schließt und der Luftstrom-Sollwert mit einer vorbestimmten Rate während des Abblaseverhinderungszeitraums steigt, dann weiß das Steuergerät 60, dass eine weitere Leistungsaufwärtstransiente vorliegt, und setzt die Zeit zum Verhindern des Abblasens von Anodenabgas auf die vorbestimmte Zeit zurück. Dieser Prozess kann bis zum Verstreichen eines zweiten vorbestimmten Zeitraums, beispielsweise 20 Sekunden, fortgesetzt werden, wobei danach ein Abblasen von Anodenabgas ausgeführt werden muss, um eine Beschädigung der Stapel 12 und 14 zu verhindern. Die zweite Zeit wird von der von den Stapeln 12 und 14 erzeugten Stromdichte abhangen, wobei niedrige Stapelstromdichten eine längere Zeit ohne Anodenabgasabblasen ohne Beschädigung des Stapels akzeptieren können als höhere Stromdichten.
Wie voranstehend erwähnt werden Algorithmen zum Ermitteln der Rate des Stickstoffdurchtritts durch die Membranen von der Kathodenseite zu der Anodenseite eingesetzt. Diese Algorithmen werden dann zum Berechnen verwendet, wann zuviel Stickstoff an der Anodenseite der Stapel 12 und 14 vorliegt, so dass ein Anodenabgasabblasen ausgeführt werden kann. Dies wird als proaktives Stickstoffabblasen bezeichnet. Das Steuergerät 60 überwacht die Zellenspannungen der einzelnen Zellen in den Stapeln 12 und 14, und eine Differenz zwischen einer Mindest-Zellenspannung und einer Höchst-Zellenspannung in jedem Stapel 12 und 14 wird regelmäßig berechnet. Ferner wird eine mittlere Zellenspannung für die Zellen in beiden Stapeln 12 und 14 berechnet. Wenn die Differenz zwischen der Mindest-Zellenspannung und der Höchst-Zellenspannung für einen der Stapel 12 und 14 groß genug ist, oder wenn die Differenz zwischen der mittleren Zellenspannung zwischen den beiden Stapeln 12 und 14 groß genug ist, ist dies ein Indiz, dass eine Stapelinstabilität vorliegt. Eine Hauptursache für eine Stapelinstabilität ist ein Stickstoffdurchtritt in die Anodenseite der Brennstoffzellenstapel 12 und 14. Daher werden Algorithmen eingesetzt, um ein Anodenabgasabblasen anzuordnen, wenn der Schwellenwert von der Mindest- zu der Höchst-Zellenspannung überschritten wird oder der Schwellenwert zwischen den Mittelwerten der Zellenspannungen zwischen den Stapeln 12 und 14 überschritten wird. Dies wird als reaktives Anodenabgasabblasen bezeichnet. Das Verfahren der Erfindung verzögert das Anodenabgasabblasen sowohl für das reaktive als auch das proaktive Abblasen.
Durch Experimentieren wurde festgestellt, dass aufgrund einer Fahrereingabe, z. B. Treten des Gaspedals, oder eines Fahrens über eine holprige Straße oder einer Maßnahme des Steuergeräts an den verschiedenen Signalen ein Rauschen vorliegen kann. Daher ist es erforderlich, diese Signale zu filtern, da ein Signalrauschen fälschlicherweise die Bedingung der Aufwärtstransienten aktivieren kann, was ein Aussetzen des Abblasens bewirken kann. Ein zu langes Aussetzen des Abblasebefehls würde einen Aufbau von Stickstoff in der Anodenseite der Stapel 12 und 14 ermöglichen, was eine Instabilität der Stapelzellenspannung bewirken würde.
Die vorstehende Erörterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird dieser Erörterung und den Begleitzeichnungen sowie den Ansprüchen mühelos entnehmen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen darin vorgenommen werden können, ohne von dem in den folgenden Ansprüchen dargelegten Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel umfasst; einen Verdichter, der einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels Kathodeneingangsluft liefert; ein Umleitventil, um es der Kathodeneingangsluft zu ermöglichen, den Brennstoffzellenstapel auf einer Umgehungsleitung zu umgehen; ein Anodenabgas-Abblaseventil zum Abblasen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel, wobei das abgeblasene Anodenabgas mit Kathodenabgas gemischt wird; und ein Steuergerät zum Steuern des Abblasens von Anodenabgas, wobei das Steuergerät eine Rate des Schließens des Umleitventils und einen Anstieg des Luftstroms von dem Verdichter überwacht, wobei, wenn die Rate des Schließens des Umleitventils und die Rate des Anstiegs des Luftstroms vorbestimmte Schwellenwerte übersteigen, das Steuergerät einen ersten vorbestimmten Zeitraum lang ein Senden eines Abblasebefehls an das Anodenabgas-Abblaseventil verhindert.
System nach Anspruch 1, wobei der erste vorbestimmte Zeitrahmen bei etwa drei Sekunden liegt.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät den Abblasebefehl sowohl für ein proaktives Abblasen von Anodenabgas als auch für ein reaktives Abblasen von Anodenabgas verhindert.
System nach Anspruch 1, wobei das System ein Umschalten der Anodenströmung nutzt.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät die Rate des Schließens des Umleitventils und den Anstieg des Luftstroms von dem Verdichter überwacht, um zu ermitteln, ob sich das System in einer Leistungsaufwärtstransiente befindet.
System nach Anspruch 5, wobei das Umleitventil zumindest teilweise offen ist, wenn sich das System nicht in einer Leistungsaufwärtstransiente befindet.
System nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät den ersten vorbestimmten Zeitraum zurücksetzt, wenn das Steuergerät das Senden eines Abblasebefehls an das Anodenabgas-Abblaseventil verhindert, und dann ermittelt, dass die Rate des Schließens des Umleitventils und die Rate des Anstiegs des Luftstroms während des ersten vorbestimmten Zeitraums erneut die vorbestimmten Schwellenwerte überstiegen hat.
System nach Anspruch 7, wobei, wenn die Zeit, für die das Steuergerät einen Abblasebefehl verhindert, einen zweiten vorbestimmten Zeitraum übersteigt, das Steuergerät das Abblasen von Anodenabgas erzwingt.
System nach Anspruch 1, wobei die Leistungsaufwärtstransiente von einem Leerlaufzustand bis über 15 KW reicht.
Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel umfasst; einen Verdichter, der einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels Kathodeneingangsluft liefert; ein Umleitventil, um es der Kathodeneingangsluft zu ermöglichen, den Brennstoffzellenstapel auf einer Umgehungsleitung zu umgehen; ein Anodenabgas-Abblaseventil zum Abblasen von Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel, wobei das abgeblasene Anodenabgas mit Kathodenabgas gemischt wird; und ein Steuergerät zum Steuern des Abblasens von Anodenabgas, wobei das Steuergerät eine Leistungsaufwärtstransiente detektiert und das Senden eines Abblasebefehls zu dem Anodenabgas-Abblaseventil einen ersten vorbestimmten Zeitraum lang verhindert, wenn eine Leistungsaufwärtstransiente detektiert wird.
System nach Anspruch 10, wobei das Steuergerät den Abblasebefehl sowohl für ein proaktives Abblasen von Anodenabgas als auch ein reaktives Abblasen von Anodenabgas verhindert.
System nach Anspruch 10, wobei das Steuergerät den ersten vorbestimmten Zeitraum zurücksetzt, wenn das Steuergerät das Senden eines Abblasebefehls an das Anodenabgas-Abblaseventil verhindert, und dann ermittelt, dass während des ersten vorbestimmten Zeitraums eine weitere Aufwärtstransiente erfolgt.
System nach Anspruch 12, wobei, wenn die Zeit, für die das Steuergerät einen Abblasebefehl verhindert, einen zweiten vorbestimmten Zeitraum übersteigt, das Steuergerät das Abblasen von Anodenabgas erzwingt.
Brennstoffzellensystem umfassend: einen ersten geteilten Stapel; einen zweiten geteilten Stapel, wobei ein Kathodenabgas von dem ersten und dem zweiten geteilten Stapel vereint wird und wobei das System ein Umschalten von Anodenströmung zum Strömen lassen eines Wasserstoffeingangsgases zu dem ersten und dem zweiten geteilten Stapel nutzt; einen Verdichter, der einer Kathodenseite des ersten und des zweiten Stapels Kathodeneingangsluft liefert; ein Umleitventil, um es der Kathodeneingangsluft zu ermöglichen, den ersten und den zweiten geteilten Stapel auf einer Umgehungsleitung zu umgehen; ein erstes Anodenabgas-Abblaseventil zum Abblasen von Anodenabgas von dem ersten geteilten Stapel und ein zweites Anodenabgas-Abblaseventil zum Abblasen von Anodenabgas von dem ersten geteilten Stapel, wobei das abgeblasene Anodenabgas mit dem Kathodenabgas gemischt wird; und ein Steuergerät zum Steuern des Abblasens von Anodenabgas, wobei das Steuergerät eine Rate des Schließens des Umleitventils und einen Anstieg des Luftstroms von dem Verdichter überwacht, um zu ermitteln, ob sich das System in einer Leistungsaufwärtstransiente befindet, wobei, wenn die Rate des Schließens des Umleitventils und die Rate des Anstiegs des Luftstroms vorbestimmte Schwellenwerte übersteigen, das Steuergerät das Senden eines Abblasebefehls zu dem Anodenabgas-Abblaseventil einen ersten vorbestimmten Zeitraum lang verhindert.
System nach Anspruch 14, wobei der erste vorbestimmte Zeitrahmen bei etwa drei Sekunden liegt.
System nach Anspruch 14, wobei das Steuergerät den Abblasebefehl sowohl für ein proaktives Abblasen von Anodenabgas als auch für ein reaktives Abblasen von Anodenabgas verhindert.
System nach Anspruch 14, wobei das Steuergerät den ersten vorbestimmten Zeitraum zurücksetzt, wenn das Steuergerät das Senden eines Abblasebefehls an das Anodenabgas-Abblaseventil verhindert, und dann ermittelt, dass die Rate des Schließens des Umleitventils und die Rate des Anstiegs des Luftstroms während des ersten vorbestimmten Zeitraums erneut die vorbestimmten Schwellenwerte überschritten hat.
System nach Anspruch 17, wobei, wenn die aufgelaufene Zeit, für die das Steuergerät einen Abblasebefehl verhindert, einen zweiten vorbestimmten Zeitraum übersteigt, das Steuergerät das Abblasen von Anodenabgas erzwingt.