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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein
Brennstoffzellensystem, das einen Sauerstoffsensor zur Messung des Sauerstoffs
in einem Kathodenabgas verwendet, um eine Steuerung der Kathodenstöchiometrie
zu erleichtern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet
werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen
bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Leistungsquelle
für Fahrzeuge
auf. Derartige Fahrzeuge wären
effizienter und würden
weniger Emissionen erzeugen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren
verwenden.
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Eine
Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung,
die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen
aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt
Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgetrennt,
um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen
gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen
reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode,
um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht
durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in
der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran
auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die
Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel
auf, gewöhnlich Platin
(Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer
gemischt sind. Die Kombination der Anode, der Kathode und der Membran
definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ
teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen
effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement
und eine richtige Befeuchtung wie auch Steuerung katalysatorschädigender
Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
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Typischerweise
werden viele Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert,
um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas als
eine Luftströmung
auf, die typischerweise über
einen Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht
der gesamte Sauerstoff in der Luft von dem Stapel verbraucht, und
ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser
als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann.
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Der
Brennstoffzellenstapel muss eine bestimmte Leistungsmenge ausgeben,
um die gewünschte
Arbeit bereitzustellen. Die Brennstoffzellenstapelleistung wird
durch die Menge an Sauerstoff, die an die Kathode angelegt wird,
relativ zu der Menge an Wasserstoff bestimmt, die an die Anode angelegt
wird. Die Sauerstoffmenge, die erforderlich ist, um eine bestimmte
Stapelausgangsleistung zu erreichen, wird als eine Kathodenluftstöchio metrie oder
ein Kathodenlambda bezeichnet. Insbesondere ist das Kathodenlambda
die Sauerstoffmenge, die an den Stapel geliefert wird, geteilt durch
die Sauerstoffmenge, die von dem Stapel verbraucht wird. Einige Brennstoffzellensysteme
arbeiten bei einem konstanten Kathodenlambda über den gesamten Leistungsausgang
des Systems. Andere Brennstoffzellensysteme arbeiten für verschiedene
Leistungsausgänge bei
verschiedenen Kathodenlambdas.
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Einige
Brennstoffzellensysteme umfassen einen Befeuchter, um die Luft,
die an die Kathode geführt
wird, zu befeuchten. Wenn der Befeuchter ein Leck enthält, bewirkt
das Leck einen Verlust an Steuerung der Stöchiometrie in der zu der Kathode
strömenden
Luft. Es ist nicht erwünscht,
dass der Brennstoffzellenstapel mit einer Luftströmung, die
eine ungenaue Kathodenstöchiometrie
besitzt, betrieben wird.
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In
der Technik ist es bekannt, einen Luftstrommesser zu verwenden,
der die Luftströmung, die
an den Kompressor angelegt wird, misst, um die Sauerstoffmenge zu
bestimmen, die an den Stapel angelegt wird. Es ist auch bekannt,
einen Amperemesser zum Messen des Ausgangs von elektrischem Strom
des Stapels zu verwenden. Die Kombination des an den Stapel angelegten
Sauerstoffs und des Ausgangs von elektrischem Strom des Stapels
kann dazu verwendet werden, das Kathodenlambda zu bestimmen, bei
dem das System arbeitet. Ein Controller betreibt den Kompressor
mit der gewünschten Drehzahl,
um das richtige Kathodenlambda zu erreichen.
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Es
wäre erwünscht, ein
Brennstoffzellensystem mit einem Sauerstoffsensor und einem Befeuchter
bereitzustellen, wobei das Brennstoffzellensystem derart ausgebildet
ist, um ein Sensorsignal bereitzustellen, das eine Sauerstoffkonzentration
in der den Brennstoffzellenstapel verlassenden Luftströmung angibt,
um zu bestimmen, ob in dem Brennstoffzellensystem ein Leck vorhanden
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Entsprechend
und in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein Brennstoffzellensystem
entdeckt worden, das einen Sauerstoffsensor in Fluidkommunikation
mit einem Befeuchter aufweist und derart ausgebildet ist, um ein
Sensorsignal bereitzustellen, das eine Sauerstoffkonzentration in
der den Brennstoffzellenstapel verlassenden Luftströmung angibt,
um zu bestimmen, ob in dem Brennstoffzellensystem ein Leck vorhanden
ist.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit
zumindest einem Kathodeneinlass und zumindest einem Kathodenauslass,
wobei ein Sauerstoff umfassendes Fluid durch den Einlass und den
Auslass des Brennstoffzellenstapels geführt wird; einen Befeuchter
in Fluidkommunikation mit dem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels,
der derart ausgebildet ist, um das Fluid zu befeuchten; einen Sauerstoffsensor
in Fluidkommunikation mit dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels
und dem Befeuchter, wobei der Sauerstoffsensor derart ausgebildet
ist, um ein Sensorsignal zu erzeugen, das eine Konzentration des
Sauerstoffs in dem den Brennstoffzellenstapel verlassenden Fluid
angibt, wobei das Sensorsignal dazu verwendet wird, eine Systemdiagnose
zu bestimmen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel
mit zumindest einem Kathodeneinlass und zumindest einem Kathodenauslass,
wobei ein Sauerstoff umfassendes Fluid durch den Einlass und den Auslass
des Brennstoffzellenstapels ge führt
wird; einen Befeuchter in Fluidkommunikation mit dem Kathodeneinlass
des Brennstoffzellenstapels, der derart ausgebildet ist, um das
Fluid zu befeuchten; einen Sauerstoffsensor in Fluidkommunikation
mit dem Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels und einem Einlass
zu einer trockenen Seite des Befeuchters, wobei der Sauerstoffsensor
derart ausgebildet ist, um ein Sensorsignal zu erzeugen, das die
Sauerstoffkonzentration in dem den Brennstoffzellenstapel verlassenden
Fluid angibt, wobei das Sensorsignal dazu verwendet wird, eine Systemdiagnose
zu bestimmen; und einen Controller, wobei der Controller auf das
Sensorsignal von dem Sauerstoffsensor anspricht und derart ausgebildet
ist, um eine Änderung der
Strömung
des Fluides zu dem Kathodeneinlass zu bewirken und damit eine gewünschte Stöchiometrie
bereitzustellen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst das Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystemlecks
die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem
Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass vorgesehen wird; ein Befeuchter
in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen
wird; ein Sauerstoffsensor in Fluidkommunikation mit dem Kathodenauslass des
Brennstoffzellenstapels und dem Befeuchter vorgesehen wird, wobei
der Sensor derart ausgebildet ist, um ein Sensorsignal bereitzustellen;
ein Controller vorgesehen wird, der derart ausgebildet ist, um eine
Systemdiagnose zu bestimmen; ein Sauerstoff umfassendes Fluid durch
das Brennstoffzellensystem geführt
wird, wobei das Sensorsignal die Sauerstoffkonzentration des den
Brennstoffzellenstapel verlassenden Fluides angibt und dazu verwendet wird,
die Systemdiagnose zu bestimmen; und die Strömung des Fluides durch das
Brennstoffzellensystem mit dem Controller auf Grundlage der Systemdiagnose
geändert
wird, um eine gewünschte Stöchiometrie
an dem Einlass des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich,
in welchen:
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1 ein
Schaubild mit der Kathodenluftstöchiometrie
an der horizontalen Achse und dem prozentualen Sauerstoff in dem
Kathodenabgas an der vertikalen Achse ist, das die Beziehung zwischen
der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas eines Brennstoffzellenstapels
zu der Kathodensauerstoffstöchiometrie
zeigt;
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2 ein
Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Sauerstoffsensor
zur Bestimmung der Kathodenstöchiometrie
verwendet, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein
Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das ein Massenstromsteuerventil
in dem Kathodeneingang zu dem Brennstoffzellenstapel und einen Sauerstoffsensor
in dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels zur Steuerung
der Kathodenstöchiometrie
verwendet, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 ein
Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das ein Massenstromsteuerventil
in dem Kathodeneingang zu dem Brennstoffzellenstapel und einen Sauerstoff sensor,
einen Temperatursensor, einen Drucksensor und einen Wasserdampfabscheider
in dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels zur Steuerung
der Kathodenstöchiometrie
verwendet, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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5 ein
Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Sauerstoffsensor
in Fluidkommunikation mit einem Befeuchter aufweist, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende detaillierte Beschreibung und angefügten Zeichnungen beschreiben
und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu,
den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden,
und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf
irgendeine Weise einzuschränken.
In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte
beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte
nicht notwendig oder kritisch.
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1 ist
ein Schaubild mit der Kathodensauerstoffstöchiometrie (Kathodenlambda)
an der horizontalen Achse und dem prozentualen Sauerstoff in dem
Kathodenaustrag an der vertikalen Achse, das die Beziehung zwischen
der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas eines Brennstoffzellenstapels
zu seinem Kathodenlambda zeigt. Wie nachfolgend detailliert beschrieben
ist, kann diese Beziehung dazu verwendet werden, um auf Grundlage
eines Maßes
des Prozentsatzes von Sauerstoff in dem Kathodenabgas zu bestimmen,
ob die richtige Menge an Kathodeneingangsluft an einen Brennstoffzellenstapel
angelegt ist.
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2 ist
ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 weist
einen Brennstoffzellenstapel mit einem Stapel aus Brennstoffzellen
auf, wie oben beschrieben ist. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt
einen Kathodenlufteingang und einen Anodenwasserstoffeingang auf,
die elektrochemisch Wechselwirken, um Ausgangsleistung zum Antrieb
eines Fahrzeugs oder eines anderen Systems zu erzeugen. Eine Lufteingangsleitung 14 ist
an einen Kompressor 16 oder eine andere Luftliefervorrichtung
angelegt, der/die die Luft komprimiert und die komprimierte Luft auf
Leitung 20 an den Kathodeneingang des Stapels 12 liefert.
Der Kathodeneingang des Stapels 12 ist nicht gezeigt, da
er nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Das System 10 weist
einen Luftstrommesser 18 auf, der die an den Kompressor 16 angelegte Luftstrommenge
misst, wie es bei bestimmten Brennstoffzellensystemen in der Technik
bekannt ist. Wie oben beschrieben ist, ist der Luftstrommesser 18 in der
Industrie dazu verwendet worden, das Kathodenlambda des Stapels 12 zu
bestimmen. Jedoch ist, wie es aus der nachfolgenden Diskussion offensichtlich wird,
der Luftstrommesser 18 bei der vorliegenden Erfindung nicht
notwendig, um diese Funktion auszuführen.
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Gemäß der Erfindung
verwendet das System 10 einen Sauerstoffsensor 24,
durch den Kathodenabgas von dem Stapel 12 auf Leitung 26 strömt. Der
Sauerstoffsensor 24 kann ein beliebiger Sauerstoffsensor
sein, der für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie ein Abgassauerstoffsensor
für Kraftfahrzeuge.
Der Sauerstoffsensor 24 liefert ein Signal, das die Konzentration
des Sauerstoffs in dem Kathodenabgas angibt, an einen Controller 28.
Durch Kenntnis der Sauerstoffkonzentration in dem Kathoden abgas
kann der Controller 28 das Kathodenlambda des Stapels 12 auf
Grundlage der in 1 gezeigten Beziehung bestimmen.
Der Controller 28 liefert ein Steuersignal an den Kompressor 16,
um den Kompressor 16 bei der geeigneten Drehzahl zu betreiben,
so dass die von dem Sauerstoffsensor 24 in dem Kathodenabgas
gemessene Sauerstoffkonzentration das gewünschte Kathodenlambda für das System 10 bereitstellt.
Daher kann der Sauerstoffsensor 24 den Luftstrommesser 18 ersetzen,
um das Kathodenlambda des Stapels 12 zu bestimmen.
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Ein
Gegendruckventil 30 ist in der Kathodenabgasleitung 26 vorgesehen,
um den Betriebsdruck des Kathodenabgases zu steuern und damit die
richtige relative Feuchte und Zellenspannungen in dem Stapel 12 aufrechtzuerhalten,
wie es in der Technik bekannt ist. Der Sauerstoffsensor 24 ist
oberstromig von dem Gegendruckventil 30 gezeigt. Jedoch
kann bei anderen Ausführungsformen
der Sauerstoffsensor 24 unterstromig von dem Gegendruckventil 30 positioniert
sein.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden der Luftstrommesser 18 und
der Sauerstoffsensor 24 in Kombination zu Diagnosezwecken
für das
System 10 verwendet. Typischerweise ist der Luftstrommesser 18 an
dem Eingang des Kompressors 16 montiert, da das Ausgangsgas
des Kompressors 16 für
den Luftstrommesser 18 zu heiß ist. Somit ist der Luftstrommesser 18 nicht
dazu in der Lage, zu bestimmen, ob unterstromig von dem Luftstrommesser 18 ein
Luftleck vorhanden ist. Wenn oberstromig des Stapels 12 ein Leck
vorhanden ist, wird es der Controller 28 nicht detektieren,
und daher wird das System 10 nicht die richtige Sauerstoffmenge
erhalten, da der Luftstrommesser 18 oberstromig von dem
Leck positioniert ist.
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Durch
Verwendung des Sauerstoffsensors 24, wie oben beschrieben
ist, betreibt der Controller 28 den Kompressor 16 mit
der richtigen Drehzahl, um das Leck zu überwinden, da er den zusätzlichen
Sauerstoff bereitstellt, der notwendig ist, um das gewünschte Kathodenlambda
bereitzustellen. Durch Verwendung des Luftstrommessers 18 in
Kombination mit dem Sauerstoffsensor 24 besitzt der Controller 28 Kenntnis
darüber,
dass der richtige Luftstrom an den Kompressor 16 geliefert
wird, um das gewünschte
Kathodenlambda bereitzustellen, jedoch gibt der Sauerstoffsensor 24 an,
dass das richtige Kathodenlambda bei der vorhergesagten Luftströmung nicht erreicht
wird. Dies würde
ein Problem in dem System 10 anzeigen, wie ein Leck in
den Leitungen 20 oder 26 oder dem Stapel 12.
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Alternativ
dazu kann der Controller 28 ein Kompressorkennfeld des
Kompressors 16 auf Grundlage der Kompressordrehzahl und
des Eingangs/Ausgangdruckverhältnisses
des Kompressors verwenden, um das geeignete Kathodenlambda zu berechnen
und diese Berechnung mit dem Ausgang von dem Sauerstoffsensor 24 zu
vergleichen. Da der Controller 28 Kenntnis über den ΔP (Deltadruck) über den
Kompressor 16 besitzt, ist der Controller 28 zu
Diagnosezwecken dann in der Lage, zu bestimmen, ob ein Luftleck
vorhanden ist. Wenn ein wesentlich höheres Kathodenlambda erwartet
wird, wird eine Systemdiagnosewarnung ausgegeben, die eine schlechter
werdende Kompressorleistung oder ein Luftleck irgendwo in dem System 10 angibt.
Die Regelkreisbeschaffenheit der Rückkopplung kann das Problem
so lange kompensieren, bis das System 10 gewartet wird.
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Zusätzlich kann
der Sauerstoffsensor 24 als eine Steuerung für den Luftstrommesser 18 verwendet
werden. In der Technik ist es bekannt, das zu diesem Zweck verwendete
Luftstrommesser zu einer Drift über
die Zeit tendieren. Daher kann der Sauerstoffsensor 24 dazu
verwendet werden, die Genauigkeit des Luftstrommessers 18 zu
bestimmen und dessen Betrieb über
die Zeit zu kompensieren.
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In
der Technik ist es bekannt, einen Prüfstand bzw. Versuchsstand in
einer Laborumgebung zu verwenden, um die Leistungsfähigkeit
eines Brennstoffzellenstapels während
einer Stapelkonstruktion und dergleichen zu testen. Gemäß der Erfindung
kann auch ein Sauerstoffsensor in dem Prüfstandsystem zum Messen der
Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas zur Bestimmung der
Kathodenstöchiometrie
verwendet werden.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 40, das
in einer Prüfstandumgebung
getestet wird, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 40 weist
einen Brennstoffzellenstapel 42 mit einem Stapel aus Brennstoffzellen
auf, wie oben beschrieben ist. Der Brennstoffzellenstapel 42 nimmt
einen Kathodenlufteingang und einen Anodenwasserstoffeingang auf,
die elektrochemisch Wechselwirken, um eine Ausgangsleistung zum
Betrieb eines Fahrzeugs oder eines anderen Systems zu erzeugen.
Eine Kathodenladeluft auf einer Lufteingangsleitung 44 wird
an ein Massenstromsteuerventil (MFCV) 48 geliefert, das
durch einen Prüfstand-Controller 50 gesteuert
wird, um die richtige Ladeluftmenge auf einer Kathodeneingangsleitung 52 zu
dem Brennstoffzellenstapel 42 bereitzustellen. Der Anodeneingang
des Brennstoffzellenstapels 42 ist nicht gezeigt, da er
nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Durch Steuerung der Ventilposition
des MFCV 48 wird die richtige Kathodenstöchiometrie
für die
gewünschte
Ausgangsleistung zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt an den
Brennstoffzellenstapel 42 geliefert.
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Gemäß der Erfindung
verwendet das System 40 einen Sauerstoffsensor 54,
durch den Kathodenabgas von dem Stapel 42 auf einer Kathodenabgasleitung 56 strömt. Der
Sauerstoffsensor 54 kann ein beliebiger für die hier
beschriebenen Zwecke geeigneter Sauerstoffsensor sein, wie der bekannte
Abgassauerstoffsensor für
Kraftfahrzeuge. Der Sauerstoffsensor 54 liefert ein Signal,
das die Konzentration des Sauerstoffs in dem Kathodenabgas angibt,
an einen Sauerstoffsensor-Controller 60. Der Sauerstoffsensor-Controller 60 ist
eigentlich Teil des Sauerstoffsensors 54 und umfasst die
Elektronik des Sensors 54, die aus der rauen Umgebung des
Kathodenaustrags beseitigt ist. Der Sauerstoffsensor-Controller 60 konditioniert
das Signal von dem Sensor 54 und liefert ein Signal an
den Prüfstand-Controller 50, das
die Menge an Sauerstoff in dem Kathodenabgas angibt. Der Prüfstand-Controller 50 bestimmt
auf Grundlage einer stöchiometrischen
Berechnung, ob der Brennstoffzellenstapel 42 die richtige
Menge an Ladeluft aufnimmt. Wenn das MFCV 48 nicht die
richtige Ladegaskonzentration an die Kathode liefert, steuert der
Prüfstand-Controller 50 die
Ventilposition des MFCV 48 demgemäß, so dass die Sauerstoffmenge
in der Kathodenabgasleitung repräsentativ
für die
richtige an den Brennstoffzellenstapel 42 angelegte Ladeluftstöchiometrie
ist.
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Bei
dem System 40 wird die relative Feuchte (RF) an dem Analysepunkt
angenommen. Diese Annahme kann, muss jedoch nicht genau sein. Es
ist möglich,
dass Wasserdampf in dem Kathodenabgas den Partialdruck von Sauerstoff
in dem Abgas signifikant beeinflusst. Daher sollte, um den tatsächlichen Sauerstoffgehalt
in dem Kathodenabgas genau zu bewerten, die RF des Abgases bestimmt
werden. 4 ist ein Blockdiagramm eines
Brennstoffzellensystems 64 gemäß einer anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, das die relative Feuchte des Abgases korrigiert,
wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Bei dieser Ausführungsform
wird der Kathodenaustrag durch einen Wasser dampfabscheider 66 vor
einer Lieferung an den Sauerstoffsensor 54 geliefert, um
das flüssige Wasser
davon zu entfernen. Jedoch ist das Abgas bei der Temperatur und
dem Druck, bei dem es den Wasserabscheider 66 verlässt, mit
Wasserdampf gesättigt.
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Ein
Temperatursensor 68 misst die Temperatur des Kathodenabgases
zwischen dem Wasserabscheider 66 und dem Sauerstoffsensor 54 und
liefert ein Signal, das die Temperatur angibt, an den Prüfstand-Controller 50.
Gleichermaßen
misst ein Drucksensor 70 den Druck des Kathodenabgases
zwischen dem Wasserdampfabscheider 66 und dem Sauerstoffsensor 54 und
liefert ein Signal des Drucks an den Prüfstand-Controller 50.
Der Temperatursensor 68 kann ein beliebiger Temperatursensor
sein, der für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie ein Thermoelement.
Gleichermaßen
kann der Drucksensor 70 ein beliebiger Drucksensor sein,
der für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie ein Druckwandler.
Der Prüfstand-Controller 50 verwendet
diese Messungen zur Berechnung des Wassergehaltes des Abgases und
zur Korrektur des Einflusses, den dieser auf den Partialdruck von
Sauerstoff hat. Durch Bestimmung der Temperatur und des Drucks des
Kathodenabgases kann der Prüfstand-Controller 50 die
RF oder den Wassergehalt des Abgases bestimmen, um eine richtige
Messen der Kathodenstöchiometrie
bereitzustellen.
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5 zeigt
ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst
einen Befeuchter 102 in Fluidkommunikation mit einem Brennstoffzellenstapel 104 und
einem Sauerstoffsensor 106.
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Bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Befeuchter 102 eine
Wasserdampfübertragungseinheit,
die derart ausgebildet ist, um ein Oxidationsmittel, wie Luft, vor
dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 104 zu befeuchten.
Die Wasserdampfübertragungseinheit
umfasst eine trockene Seite und eine feuchte Seite, die durch eine
wasserdampfpermeable Membran (nicht gezeigt) oder dergleichen getrennt
sind. Die trockene Seite besitzt einen ersten Einlass 120 und
einen ersten Auslass 122, und die feuchte Seite besitzt
einen zweiten Einlass 124 und einen zweiten Auslass 126.
Der erste Einlass 120 steht in Fluidkommunikation mit einem Wärmetauscher 128.
Der erste Auslass 122 steht in Fluidkommunikation mit dem
Kathodeneinlass 108 des Brennstoffzellenstapels 104.
Der zweite Einlass 124 steht in Fluidkommunikation mit
dem Sauerstoffsensor 106, und der zweite Auslass 126 steht
in Fluidkommunikation mit der Atmosphäre 130. Der Wärmetauscher 128 umfasst
einen Einlass 132 und einen Auslass 134. Der Einlass 132 steht
in Fluidkommunikation mit einem Kompressor 136, und der
Auslass 134 steht in Fluidkommunikation mit dem ersten Einlass 120 des
Befeuchters 102. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 128 ein
Niedertemperaturkern. Es sei zu verstehen, dass jeglicher herkömmlicher
Wärmetauscher
verwendet werden kann, wie ein Röhrenwärmetauscher,
ein Plattenwärmetauscher,
einen luftgekühlten
Wärmetauscher
oder andere in der Technik bekannte Wärmetauscher. Der Kompressor 136 umfasst
einen Einlass 138 und einen Auslass 140. Der Einlass 138 des Kompressors 136 steht
in Fluidkommunikation mit einer Sauerstoffquelle 142, und
der Auslass 140 des Kompressors 136 steht in Fluidkommunikation
mit dem Einlass 132 des Wärmetauschers 128.
Die Sauerstoffquelle 142 ist typischerweise eine Luftquelle. Es
sei zu verstehen, dass die Sauerstoffquelle 142 gegebenenfalls
beispielsweise ein Brennstofftank oder die Atmosphäre sein
kann. Bei der gezeigten Ausführungsform
ist der Kompressor 136 ein Zentrifugalluftkompressor. Der
Kompressor 136 kann ein beliebiges herkömmliches Mittel zum Komprimieren eines
Fluides sein, wie beispielsweise eine Turbomaschine, ein Zentrifugalkompressor,
ein Mischstromkompressor, ein Gebläse oder ein Lüfter.
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Der
Brennstoffzellenstapel 104 umfasst einen Stapel aus Kathoden,
Anoden und Membranen (Brennstoffzellen), wie hier vorher beschrieben
wurde. Es sei zu verstehen, dass die Anzahl von Brennstoffzellen
in dem Brennstoffzellenstapel 104 variieren kann. Jede
Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 104 besitzt
ein Paar von MEAs (nicht gezeigt), die durch eine elektrisch leitende
Bipolarplatte (nicht gezeigt) getrennt sind. Die MEAs und die Bipolarplatten
sind zwischen aus rostfreiem Stahl bestehenden Klemmplatten oder
Endplatten (nicht gezeigt) und Endkontaktelementen (nicht gezeigt)
aneinander gestapelt. Die Endkontaktelemente und die Bipolarplatten
enthalten eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen zur Verteilung von Brennstoff-
und Oxidationsmittelgasen (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff) an die
MEAs.
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Der
Brennstoffzellenstapel 104 umfasst den Kathodeneinlass 108,
einen Kathodenauslass 110, einen Anodeneinlass 112 und
einen Anodenauslass 114. Der Kathodeneinlass 108 steht
in Fluidkommunikation mit dem Befeuchter 102. Der Kathodenauslass 110 steht
in Fluidkommunikation mit dem Sauerstoffsensor 106. Der
Anodeneinlass 112 steht in Fluidkommunikation mit einer
Wasserstoffquelle 116. Der Anodenauslass 114 steht
in Fluidkommunikation mit einem Abgassystem 118. Die Anzahl
von Einlässen
und Auslässen
in dem Brennstoffzellenstapel 104 kann auf Grundlage der
Größe des Stapels
im Gebrauch, der Auslassenergiemenge, die von dem Stapel gefordert
wird, sowie anderer Konstruktionsbetrachtungen variieren. Es sei
zu verstehen, dass die Wasserstoffquelle 116 gegebenenfalls
beispielsweise ein Brennstofftank oder eine andere Systemkomponente
sein kann. Es sei auch zu verstehen, dass der Anodenauslass 114 gegebenenfalls
in Fluidkommunikation mit der Atmosphäre, einem anderen Brennstoffzellenstapel
(nicht gezeigt) oder einer anderen Systemkomponente stehen kann.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist der Sauerstoffsensor 106 ein Breitband-Sauerstoffsensor,
wie beispielsweise ein Universal-Abgas-Sauerstoff-(UEGO)-Sensor. Der
Sauerstoffsensor 106 umfasst einen Einlass 146 und
einen Auslass 148. Der Einlass 146 steht in Fluidkommunikation
mit dem Kathodenauslass 110 des Brennstoffzellenstapels 104. Der
Auslass 148 steht in Fluidkommunikation mit dem zweiten
Einlass 124 des Befeuchters 102. Der Sauerstoffsensor 106 ist
derart ausgebildet, um ein Sensorsignal bereitzustellen, das die
Konzentration des Sauerstoffs in dem den Kathodenauslass 110 des
Brennstoffzellenstapels 104 verlassenden Fluidstroms anzugeben.
Es sei zu verstehen, dass der Sauerstoffsensor 106 ein
beliebiger herkömmlicher Gassensor
sein kann, wie beispielsweise ein Abgassauerstoffsensor für Kraftfahrzeuge.
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Im
Gebrauch wird die Sauerstoff umfassende Luft von der Sauerstoffquelle 142 durch
das Brennstoffzellensystem 100 geführt. Die Luft wird durch die
Leitung 144 zu dem Einlass 138 des Kompressors 136 geführt. In
dem Kompressor 136 wird das Volumen der Luft reduziert,
wodurch der Druck und die Temperatur erhöht werden. Anschließend wird
die Luft durch die Leitung 144 zu dem Einlass 132 des
Wärmetauschers 128 geführt. In
dem Wärmetauscher 128 wird
die Luft auf eine gewünschte Temperatur
gekühlt.
Luft von dem Auslass 134 des Wärmetauschers 128 strömt durch
die Leitung 144 zu dem ersten Einlass 120 des
Befeuchters 102 und durch die trockene Seite des Befeuchters 102.
In dem Befeuchter 102 wird Luft mit einem höheren Feuchtegehalt,
als die durch die trockene Seite strömende Luft durch die feuchte
Seite geführt
und überträgt Feuchtigkeit
durch die Membran an die durch die trockene Seite strömende Luft.
Die Luft in der feuchten Seite wird durch den zweiten Auslass 126 des
Befeuchters 102 und an die Atmosphäre 130 geführt. Die
Luft in der trocke nen Seite wird durch den ersten Auslass 122 an
den Kathodeneinlass 108 des Brennstoffzellenstapels 104 geführt.
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Gleichzeitig
zu der an den Stapel 104 geführten Luft wird Wasserstoffgas
von der Wasserstoffquelle 116 an den Anodeneinlass 112 des
Brennstoffzellenstapels 104 geführt. In dem Brennstoffzellenstapel 104 reagiert
der Sauerstoff in der Luft elektrochemisch mit dem Wasserstoff,
um Leistung zum Antrieb eines Fahrzeugs oder eines anderen Systems zu
erzeugen, wie es in der Technik bekannt ist. Nicht reagierter Wasserstoff
wird aus dem Brennstoffzellenstapel 104 heraus, durch den
Anodenauslass 114 und durch die Leitung 144 zu
dem Abgassystem 118 geführt.
Nicht reagierter Sauerstoff wird durch den Kathodenauslass 110,
durch die Leitung 144 und an den Einlass 146 des
Sauerstoffsensors 106 geführt. Es sei zu verstehen, dass
der Sauerstoffsensor 106 von dem Brennstoffzellensystem 100 getrennt
sein kann und ein Anteil der Sauerstoffströmung von dem Brennstoffzellensystem 100 an
den Sauerstoffsensor 106 geführt werden kann.
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Während sich
die Luft in dem Sauerstoffsensor 106 befindet, liefert
der Sauerstoffsensor 106 das Sensorsignal, das die Konzentration
des Sauerstoffs in der Luftströmung
angibt. Das Sensorsignal wird an einen Controller 150 in
Kommunikation mit dem Sauerstoffsensor 106 geliefert, in
welchem die Kathodenstöchiometrie
des Brennstoffzellenstapels 104 auf Grundlage der in 1 gezeigten
Beziehung bestimmt wird. Auf Grundlage der Kathodenstöchiometrie
und einer bekannten Menge an Sauerstoff, die von der Sauerstoffquelle 142 an
das Brennstoffzellensystem 100 geliefert wird, kann ein
Leck von der trockenen Seite des Befeuchters 102 zu der
feuchten Seite des Befeuchters 102 durch Vergleich der
bekannten Menge an Sauerstoff, die an das Brennstoffzellensystem 100 geliefert
wird, mit der Kathodenstöchiometrie
detektiert werden, die durch das Sensor signal an den Controller 150 bestimmt
wird. Es kann auch ein Leck von der Kathode des Brennstoffzellenstapels 104 detektiert
werden. Durch Detektion stöchiometrischer
Ungleichgewichte an der Kathode kann das Brennstoffzellensystem 100 so
eingestellt werden, um unerwünschten
Betriebsbedingungen darin entgegenzuwirken und dessen Leistungsfähigkeit
zu verbessern, bis Reparaturarbeiten durchgeführt werden können.
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Alternativ
dazu kann der Controller 150 ein Steuersignal an den Kompressor 136 liefern,
um mit einer gewünschten
Drehzahl zu arbeiten, bis die Konzentration von Sauerstoff in der
durch den Sauerstoffsensor 106 gemessenen Luftströmung die
gewünschte
Kathodenstöchiometrie
für das
Brennstoffzellensystem 100 erreicht. Der Controller 150 kann auch
ein Steuersignal bereitstellen, um eine Sauerstoffströmung durch
das Brennstoffzellensystem 100 zu erhöhen, oder der Controller 150 kann
gegebenenfalls die von dem Brennstoffzellensystem 100 oder
dem Fahrzeug gezogene Stromlast reduzieren. Zusätzlich dazu kann der Controller 150 ein
Kompressorkennfeld auf Grundlage einer Drehzahl und einem Druckverhältnis verwenden,
um die passende Kathodenstöchiometrie
zu berechnen, und diese Berechnung mit dem Auslass der Fluidströmung von dem
Sauerstoffsensor 106 vergleichen. Da der Controller 150 den ΔP (Deltadruck) über den
Kompressor 136 detektiert hat, kann der Controller 150 zu
Diagnosezwecken bestimmen, ob ein Luftleck vorhanden ist. Wenn ein
wesentlich höheres
Kathodenlambda erwartet wird, wird eine Sensorsignalwarnung über eine
sich verschlechternde Leistungsfähigkeit
des Kompressors 136 oder ein Luftleck irgendwo in dem Brennstoffzellensystem 100 erzeugt.
Die Regelkreisbeschaffenheit der Rückkopplung kann das Problem so
lange kompensieren, bis das Brennstoffzellensystem 100 gewartet
wird. Die Luft in dem Sauerstoffsensor 106 wird dann durch
den Auslass 148, durch die Leitung 144, durch
den zweiten Einlass 124 an die feuchte Seite des Befeuchters 102,
durch den zweiten Auslass 126 des Befeuchters 102 und
an die Atmosphäre 130 geführt.
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Ferner
reagiert während
eines Abschaltbetriebes des Brennstoffzellensystems 100 Sauerstoff in
dem Brennstoffzellenstapel 104, wie oben beschrieben ist,
wodurch eine Stickstoffdecke auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 104 zurückbleibt.
Während
das Brennstoffzellensystem 100 abgeschaltet wird, kann
nicht reagierter Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel 104 an
die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 104 diffundieren,
wodurch eine Verschlechterung von Systemkomponenten bewirkt wird.
Der Sauerstoffsensor 106 kann ein Sensorsignal bereitstellen,
das die Konzentration des Sauerstoffs in den Sammelleitungen des
Brennstoffzellenstapels 104 nach einem Abschaltbetrieb
des Brennstoffzellensystems 100 angibt. Das Sensorsignal
kann dann dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob die Kathodenseite
des Brennstoffzellenstapels 104 richtig vor Sauerstoffdiffusion
abgedichtet ist, wodurch die Systemkomponenten geschützt und einen
Nutzlebensdauer des Brennstoffzellensystems 100 erweitert
wird.
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Die
vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen
Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken
und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, durchgeführt
werden können.