DE102008038444A1 - Diagnose für Brennstoffzellenbefeuchter - Google Patents

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Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Befeuchter und einen Sauerstoffsensor zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel verwendet, um eine Systemdiagnose zu bestimmen, wie ein Fluidleck von dem oder über den Befeuchter.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • 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.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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:
  • 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;
  • 2 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Sauerstoffsensor zur Bestimmung der Kathodenstöchiometrie verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 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;
  • 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
  • 5 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Sauerstoffsensor in Fluidkommunikation mit einem Befeuchter aufweist, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (20)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der zumindest einen Kathodeneinlass und zumindest einen Kathodenauslass aufweist, 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.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem 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 zur Beibehaltung einer gewünschten Stöchiometrie zu bewirken.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Sensorsignal dazu verwendet wird, eine Änderung der Strömung des Fluids zu dem Brennstoffzellenstapel zu bewirken.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Systemdiagnose, die bestimmt wurde, darin besteht, ob ein Leck des Fluids von einer trockenen Seite des Befeuchters zu einer feuchten Seite des Befeuchters vorhanden ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Systemdiagnose, die bestimmt wurde, darin besteht, ob ein Leck des Fluids in dem Brennstoffzellenstapel vorhanden ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Kompressor in Kommunikation mit dem Befeuchter, wobei der Kompressor derart ausgebildet ist, um eine Strömung des Fluides zur Beibehaltung einer gewünschten Stöchiometrie an dem Einlass des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, ferner mit einem Wärmetauscher, der zwischen dem Kompressor und dem Befeuchter angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit diesen steht.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Befeuchter eine Wasserdampfübertragungseinheit ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoffsensor ein Breitband-Sauerstoffsensor ist.
  10. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der zumindest einen Kathodeneinlass und zumindest einen Kathodenauslass aufweist, wobei ein Sauer stoff 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 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 Fluids zu dem Kathodeneinlass zur Bereitstellung einer gewünschten Stöchiometrie zu bewirken.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Systemdiagnose, die bestimmt wurde, darin besteht, ob ein Leck des Fluids von einer trockenen Seite des Befeuchters zu einer feuchten Seite des Befeuchters vorhanden ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Systemdiagnose, die bestimmt wurde, darin besteht, ob ein Leck des Fluids in dem Brennstoffzellenstapel vorhanden ist.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner mit einem Kompressor in Kommunikation mit dem Befeuchter, wobei der Kompressor derart ausgebildet ist, um eine Strömung des Fluides zu dem Befeuchter zur Beibehaltung einer gewünschten Stöchiometrie an dem Einlass des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, ferner mit einem Wärmetauscher, der zwischen dem Kompressor und dem Befeuchter angeordnet ist und in Fluidkommunikation mit diesen steht.
  15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Befeuchter eine Wasserdampfübertragungseinheit ist.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Sauerstoffsensor ein Breitband-Sauerstoffsensor ist.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Signalsensor eine Änderung der Strömung des Fluides zu dem Brennstoffzellenstapel bewirkt.
  18. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystemlecks, mit den Schritten, dass: ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen wird, der zumindest einen Kathodeneinlass und einen Kathodenauslass aufweist; 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 in dem den Brennstoffzellenstapel verlassenden Fluid 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 vorzusehen.
  19. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Systemdiagnose, die bestimmt wurde, darin besteht, ob ein Leck des Fluides von einer trockenen Seite des Befeuchters zu einer feuchten Seite des Befeuchters vorhanden ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Systemdiagnose, die bestimmt wurde, darin besteht, ob das erste Fluid aus dem Brennstoffzellenstapel leckt.
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