DE102008010305B4

DE102008010305B4 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und zum Verringern von Druck, wenn Injektoren unter Fehlerbedingungen offen hängenbleiben, und Abhilfemaßnahme zum Verhindern eines Liegenbleibens eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102008010305B4
Application number: DE102008010305A
Authority: DE
Inventors: Kiran Mallavarapu; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: DE102008010305A1; US9876243B2; US20080206607A1; US9263751B2; US20160118678A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Anodeninjektoren in Fluidverbindung mit einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels und einem Steuersystem in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel und den Anodeninjektoren; (b) Ermitteln, ob ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem das Steuersystem verwendet wird, um einen Druck an vorbestimmten Punkten in dem Brennstoffzellenstapel zu überwachen; und (c) Ermöglichen eines fortgesetzten Betriebs des Brennstoffzellenstapels, wenn ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem das Steuersystem verwendet wird, um ein Entlüftungsventil zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsventil durch eine Leitung mit einem Anodenausgang in Fluidverbindung steht und der Anodenausgang durch das geöffnete Entlüftungsventil einem Druck des Kathodenabgases ausgesetzt wird, um den Druck im Brennstoffzellenstapel zu senken.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere ist diese Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Fehlerbedingungen, die durch Komponentenausfälle hervorgerufen werden, gerichtet.
Hintergrund der Erfindung
Bei typischen Brennstoffzellensystemen liefern Anodeninjektoren Wasserstoff zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Ein häufiger Ausfallzustand ist bei den Anodeninjektoren der Ausfall in einem offenen Zustand. Wenn die Anodeninjektoren offen ausfallen, werden der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels unerwünschte und unkontrollierte Mengen an Wasserstoff geliefert. Häufig signalisieren die Anodeninjektoren dem Steuersystem einen Ausfall nicht, was es folglich schwierig macht, einen Druckanstieg oder den Wasserstoffstrom in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels vorherzusagen.
Ein defekter offener Injektor kann an den Anodenseiten einen Druckanstieg hervorrufen, was die Membran des Brennstoffzellenstapels beschädigen und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigen kann. Der Druckanstieg kann auch den Brennstoffzellenstapel beschädigen, wenn der Druckanstieg nicht detektiert und der Betrieb des Brennstoffzellensystems schnell unterbrochen wird, Das Unterbrechen des Brennstoffzellensystems aufgrund eines defekten offenen Injektors führt typischerweise zu einer vollständig funktionsuntüchtigen Brennstoffzelle und einem Festsitzen des Fahrers, wenn die Brennstoffzelle ein Fahrzeug antreibt.
Die US 2002/0192519 A1 offenbart ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterer Stand der Technik ist aus der US 2004/0131902 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, das in verbesserter Weise den durch einen defekten offenen Anodeninjektor hervorgerufenen Druckanstieg detektieren, den Druck in dem Brennstoffzellenstapel bei Auftreten des Defekts verringern und eine Abhilfemaßnahme zum Ermöglichen eines fortgesetzten Betriebs der Brennstoffzelle und zum Verhindern eines Liegenbleibens des Fahrzeugs ergreifen kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems beschrieben, das den durch einen defekten offenen Anodeninjektor hervorgerufenen Druckanstieg schnell detektieren, den Druck in dem Brennstoffzellenstapel bei Eintreten des Defektes verringern und eine Abhilfemaßnahme zum Ermöglichen eines fortgesetzten Betriebs des Brennstoffzellenstapels und zum Verhindern eines Liegenbleibens des Fahrzeugs ergreifen kann.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems die Schritte des Vorsehens eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Anodeninjektoren in Fluidverbindung mit einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels und einem Steuersystem in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel und den Anodeninjektoren, des Ermittelns, ob ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem das Steuersystem verwendet wird, um einen Druck an vorbestimmten Punkten in dem Brennstoffzellenstapel zu überwachen, und des Ermöglichens eines fortgesetzten Betriebs des Brennstoffzellenstapels, wenn ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem das Steuersystem verwendet wird, um ein Entlüftungsventil zu öffnen, das durch eine Leitung mit einem Anodenausgang in Fluidverbindung steht und der Anodenausgang durch das geöffnete Entlüftungsventil einem Druck des Kathodenabgases ausgesetzt wird, um den Druck im Brennstoffzellenstapel zu senken.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren die weiteren Schritte zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems die Schritte des Vorsehens mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Anodeninjektoren in Fluidverbindung mit einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels, einem Steuersystem in elektrischer Verbindung mit den Anodeninjektoren, einem in einer zweiten Leitung angeordneten und einem in elektrischer Verbindung mit dem Steuersystem stehenden weiteren Entlüftungsventil, wobei die zweite Leitung mit einem Brennstofftank und den Anodeninjektoren in Fluidverbindung steht, einem mit einem Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels durch eine dritte Leitung in Fluidverbindung stehenden Kathodenabgasventil, das dafür ausgelegt ist, durch das Steuersystem gesteuert zu werden, einem Verdichter in Fluidverbindung mit einem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels und einem Motor, der mechanisch mit dem Verdichter gekoppelt ist und mit dem Steuersystem in elektrischer Verbindung steht, des Steuerns des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel, um an vorbestimmten Punkten durch selektives Steuern der Anodeninjektoren und des Verdichters unter Verwendung des Steuersystems einen Solldruck zu erreichen, des Überwachens des Istdrucks in dem Brennstoffzellenstapel an mindestens einer vorbestimmten Stelle unter Verwendung des Steuersystems, des Ermittelns, ob ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem ein Solldruck und der Istdruck in dem Brennstoffzellenstapel verglichen werden, und des Ermöglichens eines fortgesetzten Betriebs des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des Steuersystems, wenn ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems die weiteren Schritte des Vorsehens mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Anodeninjektoren in Fluidverbindung mit einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels, einem Steuersystem in elektrischer Verbindung mit den Anodeninjektoren, einem in einer zweiten Leitung angeordneten und einem in elektrischer Verbindung mit dem Steuersystem stehenden weiteren Entlüftungsventil, wobei die zweite Leitung mit einem Brennstofftank und den Anodeninjektoren in Fluidverbindung steht, einem mit einem Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels durch eine dritte Leitung in Verbindung stehenden Kathodenabgasventil, das dafür ausgelegt ist, durch das Steuersystem gesteuert zu werden, einem Verdichter in Fluidverbindung mit einem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels und einem Motor, der mechanisch mit dem Verdichter gekoppelt ist und mit dem Steuersystem in elektrischer Verbindung steht, des Steuerns des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel, um an vorbestimmten Punkten durch selektives Steuern der Anodeninjektoren und des Verdichters unter Verwendung des Steuersystems einen Solldruck zu erreichen, des Überwachens des Istdrucks in dem Brennstoffzellenstapel an mindestens einer vorbestimmten Stelle unter Verwendung des Steuersystems, des Ermittelns, ob ein Anodeninjektor offen ausgefallen ist, wenn eine Differenz zwischen einem Solldruck und einem Istdruck größer als eine vorbestimmte Konstante ist und alle Anodeninjektoren auf eine Strömung von Null angewiesen wurden, des Öffnens des Entlüftungsventils, um einen Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu senken, wenn ein ausgefallener offener Anodeninjektor ermittelt wurde, des Steuerns des Drucks zum Erreichen eines Kathoden-Solldrucks, der als Differenz des Istdrucks und eines Differenzdrucks über Atmosphärendruck berechnet wird, wenn ein ausgefallener offener Anodeninjektor ermittelt wurde, und des Verstärkens eines Luftstroms zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels durch Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen leicht hervor. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 eine Kurvendarstellung, die den Istdruck der Brennstoffzelle und den Solldruck der Brennstoffzelle während normalen Betriebs und nach einem Ausfall eines Anodeninjektors zeigt; und
3 ein Flussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende eingehende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Durchführen und Verwenden der Erfindung zu ermöglichen. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder ausschlaggebend.
Unter Bezug nun auf 1 wird eine grundlegende Anordnung eines Brennstoffzellensystems 1 mit zugehörigen Komponenten gezeigt. In der Praxis sind viele Varianten möglich. Es wird eine schematische Darstellung eines ersten Brennstoffzellenstapels 10 und eines zweiten Brennstoffzellenstapels 11, die in das Brennstoffzellensystem 1 integriert sind, gezeigt. Sowohl der erste Brennstoffzellenstapel 10 als auch der zweite Brennstoffzellenstapel 11 umfasst mehrere (nicht dargestellte) einzelne Brennstoffzellen. Die (nicht dargestellten) Anodenseiten aller einzelnen Brennstoffzellen der Brennstoffzellenstapel 10, 11 sind in einer aus dem Stand der Technik allgemein bekannten Weise verbunden. In ähnlicher Weise sind die (nicht dargestellten) Kathodenseiten der Brennstoffzellen der Stapel 10, 11 in einer aus dem Stand der Technik allgemein bekannten Weise verbunden. Die restliche Struktur und der Betrieb verschiedener Arten von Brennstoffzellensystemen sind in dem Stand der Technik allgemein bekannt. Eine Ausführungsform findet sich in dem Patent US 6 849 352 B2 . Daher werden in der Beschreibung nur die Struktur und der Betrieb eines Brennstoffzellensystems, sofern sie für diese Erfindung relevant sind, erläutert.
In der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ein Steuersystem 16. Das Steuersystem 16 steht mit mehreren Anodeninjektoren 20 mittels eines elektrischen Anschlusses 18 in elektrischer Verbindung. Der elektrische Anschluss 18 kann jedes herkömmliche Mittel zur elektrischen Verbindung sein.
Die Anodeninjektoren 20 stehen mit einem Brennstofftank 2 mittels einer Leitung 4 in Fluidverbindung. Die Anodeninjektoren 20 stehen ferner mit einem Anodeneingang 24 des ersten Brennstoffzellenstapels 10 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 11 in Fluidverbindung. Die Anodeneingänge 24 stehen mit Anodenausgängen 12 in Fluidverbindung. Eine Leitung 15 verbindet den Anodenausgang 12 des ersten Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Anodenausgang 12 des zweiten Brennstoffzellenstapels 11 fluidisch. Ein Entlüftungsventil 6 ist in der Leitung 15 angeordnet und steht mittels eines elektrischen Anschlusses 8 mit dem Steuersystem 16 in elektrischer Verbindung.
Das Steuersystem 16 steht mittels eines elektrischen Anschlusses 32 mit einem Motor 34 in elektrischer Verbindung. Der Motor 34 ist mit einem Verdichter 36 gekoppelt. Der Verdichter 36 steht mittels einer Luftzufuhrleitung 23 mit einem Kathodeneingang 25 der Brennstoffzellenstapel 10, 11 in Fluidverbindung. Die Leitung 23 kann eine beliebige herkömmliche Leitung sein, die einen abgedichteten Durchlass vorsieht.
Die (nicht dargestellten) Kathodenseiten der Brennstoffzellenstapel 10, 11 umfassen mehrere (nicht dargestellte) Kathoden der Brennstoffzellen, die in einer allgemein aus dem Stand der Technik bekannten Weise verbunden sind. Jede der Brennstoffzellen weist mehrere Kanäle zwischen dem Kathodeneingang 25 und einem Kathodenausgang 26 auf.
Die Kathodenausgänge 26 der Brennstoffzellenstapel 10, 11 stehen mittels einer Leitung 28 mit dem Kathodenabgasventil 30 in Fluidverbindung. Das Kathodenabgasventil 30 steht mittels einer Leitung 13 mit dem Entlüftungsventil 6 in Fluidverbindung. Das Steuersystem 16 steht mittels eines elektrischen Anschlusses 22 mit dem Kathodenabgasventil 30 in elektrischer Verbindung.
Bei Betrieb wird aus einer (nicht dargestellten) Luftquelle mittels einer Leitung 42 Luft zugeführt, von dem Verdichter 36 verdichtet und mittels der Leitung 23 den Kathodeneingängen 25 der Brennstoffzellenstapel 10, 11 zugeführt. Das Steuersystem 16 kann die Drehzahl des Luftverdichters 36 durch Steuern des Motors 34 und somit den von dem Luftverdichter 36 gelieferten Luftstrom beeinflussen. Durch Beeinflussen des an der (nicht dargestellten) Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 gelieferten Luftstroms kann das Steuersystem 16 das Erreichen eines Sollluftstroms und eines Sollluftdrucks in der (nicht dargestellten) Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 erleichtern.
Das Steuersystem 16 überwacht an vorbestimmten Punkten einen Istdruck des Gases. Die Punkte können die Anodenausgänge 12 und die Kathodenausgänge 26 mittels aus dem Stand der Technik allgemein bekannter Mittel, beispielsweise eines (nicht dargestellten) Drucksensors, umfassen. Mit Hilfe der Differenz zwischen dem Gasdruck an den Anodenausgängen 12 und den Kathodenausgängen 26 wird ein Differenzdruck berechnet.
In dem Brennstofftank 2 wird Wasserstoffgas gespeichert, mittels der Leitung 4 den Anodeninjektoren 20 zugeführt und selektiv in die Anodeneingänge 24 eingespritzt. Typischerweise ist das Entlüftungsventil 6 während normalen Betriebs geschlossen. Das Steuersystem 16 kann die Rate der Wasserstoffzufuhr zu den Anodeneingängen 24 durch Steuern der Stellung der Anodeninjektoren 20 mittels des Anschlusses 18 beeinflussen.
Das Steuersystem 16 erzeugt und übermittelt ein Anodeninjektorsignal einzeln zu jedem Anodeninjektor 20, um in den Brennstoffzellenstapeln 10, 11 einen Anoden-Solldruck zu halten. Bei strömungswechselnden Brennstoffzellensystemen 1 steuert das Steuersystem 16 selektiv die Anodeninjektoren 20 für den ersten Brennstoffzellenstapel 10 und die Anodeninjektoren 20 für den zweiten Brennstoffzellenstapel 11, um einen Sollstrom von Wasserstoff durch das Brennstoffzellensystem zu erreichen, wobei es einen Anodenwechselalgorithmus verwendet. Es kann erwünscht sein, die Richtung des Strömens von Wasserstoff durch das Brennstoffzellensystem 1 bei vorbestimmten Zeitintervallen zu ändern, auch wenn bei Bedarf andere Umschaltzeiten verwendet werden können.
Wenn das Brennstoffzellensystem 1 unter normalen Bedingungen arbeitet, ist der Solldruck der Anode typischerweise gleich der Summe des Istdrucks am Kathodenausgang 26 und eines durch das Steuersystem 16 ermittelten Differenz-Solldrucks.
Zwischen der Luft in den (nicht dargestellten) Kathodenseiten und dem Wasserstoff in den (nicht dargestellten) Anodenseiten der Brennstoffzellenstapel 10 kommt es zu einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Reaktion, die Elektronen freisetzt, die durch einen externen Schaltkreis und/oder ein Fahrzeug (nicht dargestellt) aufgenommen werden können.
Während des Betriebs können die Anodeninjektoren 20 in einem offenen Zustand ausfallen. Wenn die Anodeninjektoren 20 ausfallen, wird den Anodeneingängen 24 eine unerwünschte und unkontrollierte Gasmenge zugeführt. Selbst wenn eine Strömung von Null erwünscht ist, strömt somit Wasserstoff weiter in die Anodeneingänge 24, was zu einem übermäßigen Druck an der (nicht dargestellten) Anodenseite der Brennstoffzellenstapel 10, 11 führt. Der Druckanstieg wird durch die Stellung der ausgefallenen Anodeninjektoren 20 direkt beeinflusst.
2 ist ein Diagramm, das einen Brennstoffzellen-Istdruck 52 und einen Brennstoffzellen-Solldruck 54 vor und nach einem Anodeninjektor-Ausfall 50 zeigt. Wenn die Anodeninjektoren 20 korrekt arbeiten, werden der Solldruck 54 und der Istdruck 52 innerhalb einer vorbestimmten Konstante gehalten. In der gezeigten Ausführungsform werden der Solldruck 54 und der Istdruck 52 typischerweise innerhalb einer vorbestimmten Konstante von 3 kPa gehalten. Nach dem Anodeninjektor-Ausfall 50 ist der Istdruck 52 größer als der Solldruck 54 und weicht von diesem ab. In der gezeigten Ausführungsform weicht der Druck innerhalb einer Zeitspanne von etwa drei Sekunden ab. Es kann erwünscht sein, dass die Konstante unter Verwendung von Faktoren wie Steuerbarkeit der Anodendrucksteuerungen, Druckabfall des Brennstoffzellensystems 1 und Schutzdruck des Brennstoffzellensystems 1, berechnet wird.
Es gibt kein bekanntes adaptives oder Echtzeit-Korrekturverfahren zum Korrigieren des Anodeninjektor-Ausfalls 50. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 nach dem Anodeninjektor-Ausfall 50 abgeschaltet wird, sitzt ein Bediener des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs (nicht dargestellt) fest.
3 ist ein Logikflussdiagramm, das ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren veranschaulicht. Nach einem Startpunkt 60 wird der Sollwert des Solldrucks 54 eingegeben 62. Das Steuersystem 16 überwacht dann die Differenz zwischen dem Solldruck 54 und dem Istdruck 52. Wenn die Differenz zwischen dem Solldruck 54 und dem Istdruck 52 größer als die Konstante ist 66 und mindestens ein Anodeninjektor 20 auf eine Strömung von Null angewiesen wurde 64, dann ist der Anodeninjektor-Ausfall 50 aufgetreten. Das Logikflussdiagramm erleichtert eine Detektion des Anodenausfalls 50 durch das Steuersystem 16, obwohl die Anodeninjektoren 20 auf eine Strömung von Null angewiesen wurden 64.
Das Steuersystem 16 der vorliegenden Erfindung detektiert den Anodenausfall 50, was das Einleiten einer Abhilfemaßnahme 70 zulässt, um einen fortgesetzten Betrieb der Brennstoffzellenstapel 10, 11 zu ermöglichen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Abhilfemaßnahme 70 ein Öffnen des Anoden-Entlüftungsventils 6, um den Anodenausgang 12 der Brennstoffzellenstapel 10, 11 einem Druck in dem Kathodenabgas auszusetzen. Das Druckbeaufschlagen mit dem Kathodenabgas verringert den Druck in den (nicht dargestellten) Anodenseiten. Das Verringern des Drucks in den (nicht dargestellten) Anodenseiten wirkt einer möglichen Beschädigung der Brennstoffzellenstapel 10, 11 entgegen. Dadurch wird der den (nicht dargestellten) Anodenseiten der Brennstoffzellenstapel 10, 11 durch die ausgefallenen offenen Anodeninjektoren 20 zugeführte unkontrollierte Wasserstoff mit dem Kathodenabgas abgelassen. Durch das Steuersystem 16 wird ein Abhilfe schaffender Solldruck der Kathode ermittelt. Der Abhilfe schaffende Solldruck der Kathode ist der Atmosphärendruck plus die Differenz zwischen dem Istdruck 52 und dem Differenz-Solldruck. Der Abhilfe schaffende Solldruck der Kathode ermöglicht den fortgesetzten Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 durch Steuern des Drucks in den (nicht dargestellten) Kathodenseiten, um ein Beaufschlagen der Brennstoffzellenstapel 10, 11 mit dem Atmosphärendruck zu berücksichtigen, und durch Ablassen des frischen Wasserstoffs mit dem Kathodenabgas. Dann hebt das Steuersystem 16 die Drehzahl des Verdichters 22 über eine normale Betriebsdrehzahl an, um einen größeren Luftstrom durch das Kathodenabgasventil 30 zu erzeugen. Somit werden Emissionen aus dem Brennstoffzellensystem durch Verdünnen des aus dem Brennstoffzellensystem abgelassenen frischen Wasserstoffs minimiert. Ferner kann es wünschenswert sein, dass das Steuersystem 16 eine (nicht dargestellte) Kontrollleuchte der Brennkraftmaschine und/oder eine eine erforderliche Wartung anzeigende Leuchte der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) aktiviert, was den Bediener auffordert, den Anodeninjektor 20 auszuwechseln, und den Bediener informiert, dass frischer Wasserstoff aus dem Fahrzeug abgelassen wird. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere Abhilfemaßnahmen ergriffen werden können.
Ferner kann es bei Brennstoffzellensystemen, die Anodenwechselverfahren verwenden, wünschenswert sein, den Ablauf des Anodenwechselalgorithmus zu unterbrechen und nicht die Richtung des Strömens zu ändern. Stattdessen sollte das Strömen von Wasserstoff in die Brennstoffzellenstapel 10, 11 in gleichen Prozentsätzen ausgeglichen werden und die Anodeninjektoren sowohl für den ersten Brennstoffzellenstapel 10 als auch für den zweiten Brennstoffzellenstapel 11 sollten in Betrieb sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Bereitstellen mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Anodeninjektoren in Fluidverbindung mit einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels und einem Steuersystem in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel und den Anodeninjektoren; (b) Ermitteln, ob ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem das Steuersystem verwendet wird, um einen Druck an vorbestimmten Punkten in dem Brennstoffzellenstapel zu überwachen; und (c) Ermöglichen eines fortgesetzten Betriebs des Brennstoffzellenstapels, wenn ein Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist, indem das Steuersystem verwendet wird, um ein Entlüftungsventil zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsventil durch eine Leitung mit einem Anodenausgang in Fluidverbindung steht und der Anodenausgang durch das geöffnete Entlüftungsventil einem Druck des Kathodenabgases ausgesetzt wird, um den Druck im Brennstoffzellenstapel zu senken.
Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: das Ausführen des Schritts (b) durch Überwachen einer Differenz zwischen einem Solldruck und einem Istdruck in dem Brennstoffzellensystem, wobei ermittelt wird, dass ein Anodeninjektor offen ausgefallen ist, wenn die Differenz größer als eine vorbestimmte Konstante ist und alle Anodeninjektoren auf Null angewiesen wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: das Ausführen des Schritts (c) durch Steuern eines Drucks, um einen Kathoden-Solldruck zu erreichen, der als Differenz des IstBrennstoffzellen-Istdrucks 52 und des Differenz-Solldrucks, der der Differenz zwischen dem Anoden-Solldruck und dem Istdruck am Kathodenausgang entspricht, plus dem Atmosphärendruck berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: das Ausführen des Schritts (c) durch Verstärken eines Luftstroms zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels durch Erhöhen einer Drehzahl eines Verdichters.
Verfahren nach Anspruch 1 umfassend: das Bereitstellen eines in einer zweiten Leitung angeordneten weiteren Entlüftungsventils, das mit dem Steuersystem in elektrischer Verbindung steht, wobei die zweite Leitung mit einem Brennstofftank und den Anodeninjektoren in Fluidverbindung steht, eines Verdichters in Fluidverbindung mit einem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels und eines Motors, der mechanisch mit dem Verdichter gekoppelt ist und mit dem Steuersystem in elektrischer Verbindung steht; wobei ein Kathodenabgasventil mit einem Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels durch eine dritte Leitung in Fluidverbindung steht und durch das Steuersystem gesteuert wird, wobei der Druck in dem Brennstoffzellenstapel durch selektives Steuern der Anodeninjektoren und des Verdichters unter Verwendung des Steuersystems gesteuert wird, um einen Solldruck an den vorbestimmten Punkten zu erreichen; wobei durch Vergleichen des Solldrucks und des Istdrucks an einem der vorbestimmten Punkte ermittelt wird, ob der Anodeninjektor in einem offenen Zustand ausgefallen ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Druck in dem Brennstoffzellenstapel gesteuert wird, um den Solldruck in dem Anodeneingang, dem Anodenausgang, dem Kathodeneingang und/oder dem Kathodenausgang zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Druck in dem Brennstoffzellenstapel in dem Anodeneingang, dem Anodenausgang, dem Kathodeneingang und/oder dem Kathodenausgang überwacht wird, um den Solldruck zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ermittelt wird, dass ein Anodeninjektor offen ausgefallen ist, wenn die Differenz zwischen dem Solldruck und dem Istdruck größer als eine vorbestimmte Konstante ist und alle Anodeninjektoren auf eine Strömung von Null angewiesen wurden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die vorbestimmte Konstante 3 kPa ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Fortsetzung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels das weitere Entlüftungsventil geöffnet wird, um den Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu senken.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Fortsetzung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels der Druck in dem Brennstoffzellenstapel gesteuert wird, um einen Kathoden-Solldruck zu erreichen, der als Differenz des Brennstoffzellen-Istdrucks 52 und des Differenz-Solldrucks, der der Differenz zwischen dem Anoden-Solldruck und dem Istdruck am Kathodenausgang entspricht, plus dem Atmosphärendruck berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Fortsetzung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ein Luftstrom zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels durch Erhöhen einer Drehzahl des Verdichters verstärkt wird.