DE102009019836A1

DE102009019836A1 - Einrichtung zur Beobachtung des Anodenkreislaufes für Brennstoffzellensysteme

Info

Publication number: DE102009019836A1
Application number: DE102009019836A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Milford Baaser; Volker Formanski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-05-06
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2029-05-05
Also published as: CN101577339B; CN101577339A; DE102009019836B4; US20090280366A1; US8323841B2

Abstract

System und Verfahren zum Steuern des Ablassventils in einem Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellensystems. Das System verwendet ein Modell, um die Konzentration von Wasserstoff in dem rezirkulierten Gas durch Berechnen des Volumenstroms des rezirkulierten Gases durch einen Brennstoffzellenstapel, eines Druckabfalls über den Anodeneinlass und -auslass des Stapels und der Dichte des rezirkulierten Gases und Verwenden einer gemessenen Temperatur des rezirkulierten Gases und eines gemessenen Druckabfalls über eine Rezirkulationspumpe zu bestimmen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Wasserstoff in einem Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein System und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Wasserstoff in einem Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellensystems, um Kenntnis darüber zu erlangen, wann ein Ablassen von Stickstoff bereitgestellt werden soll, wobei das Verfahren die Verwendung eines mathematischen Modells auf Grundlage von Systemparametern umfasst.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle 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 aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektro lyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), auf, die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die mit einem Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Strömungsfeld- oder Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel posi tioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodenreaktandengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodengas an die Anodenseite der MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodenreaktandengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodengas an die Kathodenseite der MEA strömen kann. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Es wird angestrebt, dass die Wasserstoffverteilung in den Anodenströmungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel für einen richtigen Betrieb des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant ist. Daher ist es in der Technik bekannt, mehr Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel einzuführen, als für eine bestimmte Ausgangslast des Stapels notwendig ist, so dass die Anodengasverteilung richtig ist. Jedoch ist aufgrund dieser Anforderung die Wasserstoffmenge in dem Anodenabgas signifikant und würde zu einem geringen Systemwirkungsgrad führen, wenn dieser Wasserstoff beseitigt würde. Ferner kann Wasserstoffgas, das an die Umgebung in ausreichender Menge ausgetragen wird, bestimmte Probleme aufgrund der explosiven Beschaffenheit von Wasserstoff bewirken. Daher ist es in der Technik bekannt, das Anodenabgas zurück an den Anodeneingang zu rezirkulieren, um den beseitigten Wasserstoff wieder zu verwenden.
Die MEAs sind permeabel und ermöglichen somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels hindurch dringen und sich in der Anodenseite des Stapels ansammeln kann, was in der Industrie als Stickstoffübertritt bzw. Stickstoffübergang bezeichnet wird. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, so dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen gewissen Prozentsatz ansteigt, wie 50%, der Brennstoffzellenstapel wenig effizient, instabil wird oder ausfallen kann. Es ist in der Technik bekannt, ein Ablassventil an dem Anodengasausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen. Der abgelassene Wasserstoff kann an einen beliebigen geeigneten Ort geliefert werden, wie einen Wandler oder die Umgebung.
Um den Brennstoffzellenstapel unter optimierten Bedingungen zu betreiben und die Systemleistungsfähigkeit zu maximieren, muss eine ausreichend große Menge an Wasserstoff in dem Anodenrezirkulationsgas und eine gewisse Rezirkulationsrate erreicht werden. Jedoch existieren derzeit keine Wasserstoffkonzentrationssensoren oder Durchflusssensoren für eine feuchte Umgebung, die für ein Brennstoffzellensystem geeignet sind. Daher ist eine direkte Steuerbarkeit der Betriebsparameter Rückführströmung und Anodenwasserstoffkonzentration nicht möglich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren offenbart, um ein Stickstoffablassventil in einem Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellensystems auf Grundlage eines mathematischen Modells zu steuern, das dazu verwendet wird, die Konzentration von Wasserstoff in dem rezirkulierten Gas zu bestimmen. Das Verfahren umfasst, dass der Druckabfall über eine Rezirkulationspumpe gemessen wird und die Temperatur des durch den Rezirkulationskreislauf strömenden, rezirkulierten Gases gemessen wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein willkürlicher Wert für den Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas festgesetzt wird und der Druckabfall über die Anodenseite des Stapels berechnet wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass der Volumenstrom des durch die Anodenseite des Stapels strömenden, rezirkulierenden Gases als eine Funktion des berechneten Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels, des Prozentsatzes von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas, der gemessenen Temperatur und des gemessenen Drucks berechnet wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Dichte des durch den Rezirkulationskreislauf strömenden Rezirkulationsgases unter Verwendung des berechneten Volumenstroms, des gemessenen Druckabfalls und der Drehzahl der Rezirkulationspumpe berechnet wird und dann die berechnete Dichte, die gemessene Temperatur und der gemessene Druckabfall dazu verwendet werden, einen neuen Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas zu bestimmen. Das Verfahren berechnet den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels unter Verwendung des gemessenen Drucks und des Druckabfalls über einen Wasserabscheider in dem Rezirkulationskreislauf und der Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Schaubild eines Anodenrezirkulationskreislaufs in einem Brennstoffzellensystem, das eine Steuertechnik zur Steuerung der Drehzahl einer Rezirkulationspumpe und eines Ablassventils verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Schaubild mit der Volumenänderung an der horizontalen Achse und der Druckänderung über den Anodeneinlass und -auslass an der vertikalen Achse, das Druck- und Volumenänderungen auf Grundlage einer Zunahme von Stickstoff in dem Anodenrezirkulationsgas zeigt;
3 ist ein Schaubild mit der Änderung der Masse an der horizontalen Achse und der Druckänderung über die Rezirkulationspumpe an der vertikalen Achse, das zeigt, dass sich die Gasdichte ändert, wenn sich die Menge an Stickstoff in dem Rezirkulationsgas ändert;
4 ist ein Schaubild mit dem Strömungskoeffizienten an der horizontalen Achse und dem Druckkoeffizienten an der vertikalen Achse, das einen Arbeitsbereich des Wasserstoffrezirkulationsgases zeigt;
5 ist ein Schaubild mit der Volumenänderung an der horizontalen Achse und der Druckänderung über die Rezirkulationspumpe an der vertikalen Achse; und
6 ist ein Schaubild mit der Volumenänderung an der horizontalen Achse und der Druckänderung an der vertikalen Achse.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl einer Anodenrezirkulati onspumpe in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 wird an eine Mischverzweigung 16 geliefert und dann an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Leitung 18 gesendet. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Leitung 20 ausgegeben und an ein Ablassventil 26 gesendet. Eine Rezirkulationspumpe 30 pumpt das Anodenabgas durch das Ventil 26 an die Mischverzweigung 16 zur Mischung mit dem frischen Wasserstoff von der Quelle 14, um einen Anodenrezirkulationskreislauf vorzusehen. Der Druck in dem Rezirkulationskreislauf muss so gesteuert werden, dass er etwa gleich dem Druck auf der Kathodenseite des Stapels 12 ist. Die richtige Mischung des frischen Wasserstoffs von der Quelle 14 und des rezirkulierten Anodenabgases an der Mischverzweigung 16 legt den Druck der Anodenseite des Stapels 12 fest.
Wie oben beschrieben ist, verdünnt ein Stickstoffübertritt von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 den Wasserstoff in der Anodenseite, was die Stapelleistungsfähigkeit beeinträchtigt. Daher ist es notwendig, das Anodenabgas periodisch abzulassen, um die Menge an rezirkuliertem Stickstoff zu reduzieren. Während des Ablassens von Stickstoff wird das Ventil 26 gesteuert, um das Anodenabgas von dem Rezirkulationskreislauf an eine Austragsleitung 28 zu schalten. Es ist nützlich, die Rezirkulationsrate des Anodengases an die Brennstoffzellenlast und die Wasserstoffzufuhrgasströmung anzupassen, um ein Wassermanagement zu unterstützen und parasitäre Lasten an dem Brennstoffzellensystem zu reduzieren.
Um die Anodengasrezirkulation zu überwachen, sind verschiedene Sensoren in dem System 10 vorgesehen. Insbesondere misst ein Drucksensor 36 den Druck in dem Anodenrezirkulationskreislauf in der Leitung 20, und ein Drucksensor 40 misst den Druck über die Rezirkulationspumpe 30. Ferner misst ein Temperatursensor 38 die Temperatur des Rezirkulationsgases in dem Rezirkulationskreislauf in der Leitung 18. Auch entfernt eine Wasserabfangeinrichtung 32 Nebenproduktwasser von dem Anodenabgas. Der Wasserdampf, der in dem Anodenabgas, das zurück zu der Eingangsleitung 18 rezirkuliert wird, vorhanden ist, hilft bei der notwendigen Stapelmembranbefeuchtung. Ein Controller 34 steuert die Menge an frischem Wasserstoff von der Quelle 14, die Drehzahl der Pumpe 30 und die Position des Ablassventils 26 auf Grundlage der nachfolgenden Beschreibung. Der Controller 34 empfängt auch Messsignale von den Drucksensoren 36 und 40 und dem Temperatursensor 38.
Auf Grundlage der obigen Beschreibung wird angestrebt, dass der Controller 34 Kenntnis darüber besitzt, wann ein Ablassen von Anodenabgas an die Austragsleitung 28 bereitgestellt werden soll, und die Drehzahl der Pumpe 30 bestimmt, um die richtige Mischung von rezirkuliertem Wasserstoff und frischem Wasserstoff für die Stapellast und dergleichen ohne Verwendung eines Wasserstoffkonzentrationssensors und eines Rezirkulationsströmungssensors bereitzustellen. Gemäß der Erfindung wird ein mathematisches Modell zur Bestimmung der Konzentration von Wasserstoff in dem Rezirkulationskreislauf und der richtigen Drehzahl der Rezirkulationspumpe 30 entwickelt. Wenn die Wasserstoffkonzentration in dem Rezirkulationskreislauf unter einen vorbestimmten Wert, wie 70%, fällt, dann öffnet der Controller 34 das Ablassventil 26 für eine gewisse vorbestimmte Zeitdauer, um die Stickstoffmenge zu reduzieren. Bei einer Ausführungsform basiert die Soll-Rezirkulationsrate auf bestimmten System parametern. Somit reduziert, wenn die Rezirkulationsrate angibt, dass sich zu viel rezirkuliertes Anodengas in dem Rezirkulationskreislauf befindet, der Controller 34 die Drehzahl der Pumpe 30. Gleichermaßen erhöht der Controller 34, wenn er bestimmt, dass das rezirkulierte Anodengas zu viel frischen Wasserstoff aufweist, die Drehzahl der Pumpe 30. Die Menge an frischem Wasserstoff, die in den Rezirkulationskreislauf eingeführt wird, hängt von der Stapellast ab.
2 ist ein Schaubild mit der Änderung des Volumenstroms des Wasserstoffrezirkulationsgases an der horizontalen Achse und der Änderung des Drucks des Anodengases über den Einlass und den Auslass des Stapels 12. 2 zeigt, dass für denselben Volumenstrom des Anodenrezirkulationsgases in dem Rezirkulationskreislauf der Druck über den Einlass und Auslass des Stapels 12 entlang der Linie 50 ansteigt, wenn der Stickstoff in dem Anodenrezirkulationsgas zunimmt, und zwar aufgrund der erhöhten Viskosität des Rezirkulationsgases. Die Gleichungen (1)–(10) unten zeigen die Beziehung zwischen der Änderung des Drucks Δp über den Einlass und Auslass des Stapels 12, der Änderung des Volumenstroms V . durch den Stapel 12 und der Konzentration von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas.
In den Gleichungen (1)–(6) ist k ein konstanter geometrischer Parameter, λ ist der Druckabfallverlustkoeffizient für die Rohrrauheit, d_h ist der hydraulische Durchmesser der Pumpe 30, ρ ist die Dichte des Gases, φ ist ein Strömungskoeffizient, w - ist die durchschnittliche Gasgeschwindigkeit, v - ist die kinematische Viskosität, l ist die Rohrlänge, Re ist die Reynoldszahl, A ist die Fläche des Rohres, U ist die Umfangsdistanz des Rohres, y ist die Komponente der molekularen Gasfraktion bzw. des molekularen Gasanteils, k ist eine vorbestimmte Konstante auf Grundlage der Stapelkonstruktion, μ - ist die dynamische Viskosität des Rezirkulationsgases.
Wie es in der Technik bekannt ist, ist die dynamische Viskosität μ - eine Funktion der Gasfraktion y_i und der Temperatur T des Rezirkulationsgases.
Um die Drehzahl der Rezirkulationspumpe 30 auf Grundlage des Modells zu bestimmen, muss die Rezirkulationspumpe 30 einer Zuordnung bzw. Kartierung unterzogen werden. 3 ist ein Schaubild mit der Änderung des Massenstroms des Rezirkulationsgases an der horizontalen Achse und der Änderung des Druckabfalls über die Pumpe 30, wie durch den Drucksensor 40 gemessen wird. Da infolge der sich ändernden Niveaus von Stickstoff entlang der Leitung 52 entweder die Drehzahl n der Pumpe 30 oder die Dichte ρ des Rezirkulationsgases zunimmt, ist die Beziehung zwischen dem Massenstrom des Rezirkulationsgases durch die Rezirkulationspumpe 30 und dem Druckabfall über die Pumpe 30 in dieser Figur gezeigt.
Auf Grundlage der Beziehung zwischen dem Druckabfall über die Pumpe 30 und dem Massenstrom des Rezirkulationsgases durch die Pumpe 30 kann ein Druckkoeffizient ψ definiert werden als:
wobei Y der spezifische isentropische Entropieanstieg ist, d. h. die Arbeit, die von der Pumpe 30 an dem Gas verrichtet worden ist, während es komprimiert wurde, h die spezifische Enthalpie ist, c₂ die Geschwindigkeit des Gases an dem Pumpenauslass ist, c₁ die Geschwindigkeit des Gases an dem Pumpeneinlass ist, n die Drehzahl der Pumpe 30 ist, u die Rotationsgeschwindigkeit des Flügelrades in der Pumpe 30 ist, D der Durchmesser des Flügelrades in der Pumpe 30 ist, p der Druckabfall über die Pumpe 30 ist und ρ die Dichte des Rezirkulationsgases ist. Die Dichte ρ des Rezirkulationsgases ist eine Funktion der Konzentration von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas und dem Druck p.
Für kleine Druckverhältnisse kann die spezifische Enthalpie h vereinfacht werden als:
Ferner kann auf Grundlage der Beziehung zwischen dem Druckabfall über die Pumpe 30 und einem Massenstrom des Rezirkulationsgases durch die Pumpe 30 ein Strömungskoeffizient φ definiert werden wie folgt. Die Definition der Dichte ist gegeben als:
Das Molekulargewicht MW eines spezifischen Gases ist gegeben als:
Was den Volumenstrom V ergibt als:
wobei R die Gaskonstante ist. Hieraus folgt:
wobei
die tatsächlichen Anteile bzw. Fraktionen der spezifischen Gase ergibt. Dies ergibt:
4 ist ein Schaubild mit dem Strömungskoeffizienten φ an der horizontalen Achse und dem Druckkoeffizienten ψ an der vertikalen Achse, das die normalisierte Beziehung zwischen den Koeffizienten zeigt. Ein Punkt 54 an der Schaubildlinie 56 kennzeichnet den Arbeitsbereich der Rezirkulationspumpe 30, um die Zuordnung gemäß der Erfindung bereitzustellen.
Die Strömung des Rezirkulationsgases durch die Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf ist typischerweise eine laminare Strömung und kann abhängig von den Testmessungen des Systems einem konstanten Druckabfall C_Verrohrung zugeordnet werden. Der Druckabfall ΔP_Pumpe über die Rezirkulationspumpe 30 wird durch den Drucksensor 40 gemessen. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist der Wasserabscheider 32 ein Wasserabscheider vom Zyklontyp, der einen Rotationsmechanismus verwendet, um das Wasser zu entfernen, und weist eine turbulente Strömung auf. Der Druckabfall ΔP_Abscheider über den Abscheider 32 kann durch eine Parabelbeziehung bestimmt werden. Aus diesen Werten kann der Druckabfall ΔP_Anode über die Anodenseite des Stapels 12 von der Einlassleitung 18 zu der Auslassleitung 20 bestimmt werden als: ΔpAnode = (1 – CVerrohrung/(ΔpPumpe – ΔpAbscheider) (17)
Aus 2 ergeben sich die Stapelcharakteristiken der Beziehung zwischen dem Druckabfall über die Anodenseite des Stapels 12 und dem Volumenstrom des Anodengases durch den Stapel 12 auf Grundlage der Zunahme des Stickstoffgehalts in dem Rezirkulationsgas. 5 ist ein Schaubild mit dem Volumenstrom durch die Rezirkulationspumpe 30 an der horizontalen Achse und dem Druckabfall über die Rezirkulationspumpe 30 an der vertikalen Achse zur Erhöhung des Stickstoffgehalts in dem Rezirkulationsgas. Eine Kombination der 2 und der 5 ergibt das in 6 gezeigte Schaubild. Der gemessene Druckabfall ist an Linie 60 vorgesehen und definiert einen Arbeitspunkt 62.
Auf Grundlage des obigen Modells ist der Prozentsatz des Wasserstoffanteils y_H2 in dem Rezirkulationsgas eine Funktion der Dichte ρ des durch die Rezirkulationspumpe 30 strömenden Rezirkulationsgases, der durch den Temperatursensor 38 gemessenen Temperatur T und des durch den Drucksensor 36 gemessenen Drucks p. Um den Prozentsatz des Wasserstoffanteils y_H2 in dem Rezirkulationsgas auf Grundlage des obigen Modells zu bestimmen, wird ein willkürlicher Wasserstoffprozentsatzwert in den Algorithmus eingegeben, wie 70%. Unter Verwendung dieses Prozentsatzes wird der Volumenstrom V des Rezirkulationsgases durch die Anodenseite des Stapels 12 als eine Funktion des Druckabfalls über den Anodeneinlass und -auslass, den Prozentsatz des Wasserstoffanteils y_H2 in dem Rezirkulationsgas, der durch den Temperatursensor 38 gemessenen Temperatur T und des durch den Drucksensor 36 gemessenen Drucks p berechnet.
Der Volumenstrom V durch den Stapel 12 wird dazu verwendet, den Druckabfall ΔP_Abscheider über den Wasserabscheider 32 zu bestimmen. Der Druckabfall ΔP_Abscheider über den Wasserabscheider 32, der Druckabfall c_Verrohrung über die Rohre und der gemessene Druckabfall ΔP_Pumpe über die Rezirkulationspumpe 30 werden dazu verwendet, den Druckabfall ΔP_Anode über den Anodeneinlass und -auslass auf Grundlage der Gleichung (17) zu bestimmen. Der Druckabfall über den Anodeneinlass und -auslass wird anschließend dazu verwendet, den Stapelvolumenstrom V durch Gleichung (4) zu bestimmen. Der Stapelvolumenstrom V wird anschließend dazu verwendet, die Dichte ρ des durch die Rezirkulationspumpe 30 strömenden Rezirkulationsgases in Kombination mit dem durch den Drucksensor 40 gemessenen Druckabfall und der Drehzahl n der Pumpe 30 zu bestimmen. Die Dichte ρ wird anschließend dazu verwendet, den Prozentsatz des Wasserstoffanteils y_H2 in dem Rezirkulationsgas zu bestimmen, wie oben beschrieben ist. Der Stapelvolumenstrom V kann dazu verwendet werden, die Rezirkulationsrate zu definieren, wobei der Volumenstrom V durch den Volumenstrom von der Verzweigung 16 zugeführtem frischem Wasserstoff geteilt wird.
Wenn der Algorithmus einige Male durch diese Schleife läuft, berechnet der Algorithmus schließlich genau den Prozentsatz des Wasserstoffanteils y_H2 in dem Rezirkulationsgas und den Volumenstrom V des Rezirkulationsgases durch den Stapel 12. Das System 10 verwendet dann den Prozentsatz des Wasserstoffanteils y_H2 in dem Rezirkulationsgas, um zu bestimmen, wann es notwendig ist, das Ablassventil 26 zu öffnen, um Stickstoff zu entfernen, und zwar auf Grundlage vorbestimmter Parameter und der Drehzahl n der Pumpe 30, so dass die gewünschte Mischung von frischem Wasserstoff zu rezirkuliertem Gas erreicht wird.
Die obige Diskussion beschreibt einige spezifische Formeln und Gleichungen, um verschiedene Parameter des Systems zu berechnen. Jedoch existieren, wie dem Fachmann angemerkt sei, andere Wege zur Berechnung der verschiedenen Parameter, einschließlich der Verwendung von Nachschlagetabellen.
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 Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Wasserstoff in einem Anodenrezirkulationskreislauf eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren umfasst, dass: der Druckabfall über eine Rezirkulationspumpe gemessen wird; die Temperatur des durch den Rezirkulationskreislauf strömenden Anodenrezirkulationsgases gemessen wird; ein willkürlicher Wert für den Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas festgelegt wird; der Druckabfall über die Anodenseite des Stapels berechnet wird; der Volumenstrom des durch die Anodenseite des Stapels strömenden Rezirkulationsgases als eine Funktion des berechneten Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels, des Prozentsatzes von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas, der gemessenen Temperatur und des gemessenen Drucks berechnet wird; die Dichte des durch den Rezirkulationskreislauf strömenden Rezirkulationsgases unter Verwendung des berechneten Volumenstroms, des gemessenen Druckabfalls und der Drehzahl der Rezirkulationspumpe berechnet wird; und die berechnete Dichte, die gemessene Temperatur wie auch der gemessene Druckabfall dazu verwendet werden, einen neuen Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen des Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels umfasst, dass der gemessene Druck verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Berechnen des Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels umfasst, dass der Druckabfall über einen Wasserabscheider in dem Rezirkulationskreislauf, der Wasser von dem Rezirkulationsgas entfernt, bestimmt und verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen des Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels umfasst, dass der Druckabfall über eine Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf bestimmt und verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Berechnen des Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels umfasst, dass die Gleichung verwendet wird: ΔpAnode = (1 – CVerrohrung)·(ΔpPumpe – ΔpAbscheider)wobei Δp_Anode der Druckabfall über die Anodenseite des Stapels ist, c_Verrohrung der Druckabfall über die Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf ist, Δp_Pumpe der gemessene Druckabfall über die Pumpe ist und Δp_Abscheider der Druckabfall über den Wasserabscheider ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dichte des Rezirkulationsgases berechnet wird durch die Gleichung:
wobei n die Drehzahl der Pumpe ist, ρ die Dichte ist, p der gemessene Druck ist, T die gemessene Temperatur ist und MW das Molekulargewicht des Gases ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein genauer Wert für den Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas nach einigen Zyklen der Berechnung des Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels, der Berechnung des Volumenstroms des Rezirkulationsgases der Anodenseite des Stapels und der Berechnung der Dichte des Rezirkulationsgases bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass ein Ablassventil in dem Rezirkulationskreislauf zum Ablassen des Rezirkulationsgases geöffnet wird, wenn der Prozentsatz von Wasserstoff unter einen vorbestimmten Prozentsatz fällt.
Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel; einen Rezirkulationskreislauf zur Rezirkulation von Anodenabgas von dem Stapel an einen Anodeneinlass; eine Quelle für frischen Wasserstoff; eine Mischverzweigung zum Mischen des frischen Wasserstoffs mit dem rezirkulierten Gas; eine Rezirkulationspumpe zum Pumpen des Rezirkulationsgases durch den Rezirkulationskreislauf; einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Rezirkulationsgases in dem Rezirkulationskreislauf; einen Drucksensor zum Messen des Druckabfalls über die Rezirkulationspumpe; und einen Controller zum Bestimmen der Konzentration von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas, wobei der Controller einen willkürlichen Wert für den Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas festlegt, den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels berechnet, den Volumenstrom des durch die Anodenseite des Stapels strömenden Rezirkulationsgases als eine Funktion des berechneten Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels, des Prozentsatzes von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas, der gemessenen Temperatur und des gemessenen Drucks berechnet, die Dichte des durch den Rezirkulationskreislauf strömenden Rezirkulationsgases unter Verwendung des berechneten Volumenstroms, des gemessenen Druckabfalls und der Drehzahl der Rezirkulationspumpe berechnet und die berechnete Dichte, die gemessene Temperatur und den gemessene Druckabfall dazu verwendet werden, einen neuen Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas zu berechnen.
System nach Anspruch 9, wobei der Controller den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels unter Verwendung des gemessenen Drucks berechnet.
System nach Anspruch 10, ferner mit einem Wasserabscheider zum Entfernen von Wasser von dem rezirkulierten Gas, wobei der Controller den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels durch Bestimmung und Verwendung des Druckabfalls über den Wasserabscheider berechnet.
System nach Anspruch 11, wobei der Controller den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels durch Bestimmen und Verwenden des Druckabfalls über die Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf berechnet.
System nach Anspruch 12, wobei der Controller den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels durch Verwendung der Gleichung berechnet: ΔpAnode = (1 – cVerrohrung)·(ΔpPumpe – ΔpAbscheider)wobei ΔP_Anode der Druckabfall über die Anodenseite des Stapels ist, c_Verrohrung der Druckabfall über die Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf ist, ΔP_Pumpe der gemessene Druckabfall über die Pumpe ist und ΔP_Abscheider der Druckabfall über den Wasserabscheider ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Controller die Dichte des Rezirkulationsgases durch die Gleichung berechnet:
wobei n die Drehzahl der Pumpe ist, ρ die Dichte ist, p der gemessene Druck ist, T die gemessene Temperatur ist und MW das Molekulargewicht des Gases ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Controller einen genauen Wert für die Konzentration von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas nach einigen Zyklen der Berechnung des Druckabfalls über die Anodenseite des Stapels, der Berechnung des Volumenstroms des Rezirkulationsgases und der Berechnung der Dichte des Rezirkulationsgases berechnet.
System nach Anspruch 9, ferner mit einem Ablassventil, wobei der Controller das Ablassventil öffnet, wenn der Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas unter einen vorbestimmten Prozentsatz fällt.
Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel; einen Rezirkulationskreislauf zur Rezirkulation von Anodenabgas von dem Stapel an einen Anodeneinlass; eine Quelle für frischen Wasserstoff; eine Mischverzweigung zum Mischen des frischen Wasserstoffs mit dem rezirkulierten Gas; eine Rezirkulationspumpe zum Pumpen des Rezirkulationsgases durch den Rezirkulationskreislauf; einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Rezirkulationsgases in dem Rezirkulationskreislauf; einen Drucksensor zum Messen des Druckabfalls über die Rezirkulationspumpe; und einen Controller zum Berechnen der Konzentration von Wasserstoff in dem rezirkulierten Gas, wobei der Controller ein Modell verwendet, um die Konzentration von Wasserstoff auf Grundlage der gemessenen Temperatur, des gemessenen Drucks, des Volumenstroms des durch den Stapel strömenden, rezirkulierten Gases, des Druckabfalls über den Anodeneinlass und -auslass des Stapels und der Dichte des rezirkulierten Gases zu bestimmen.
System nach Anspruch 17, ferner mit einem Wasserabscheider zur Entfernung von Wasser von dem rezirkulierten Gas, wobei der Controller den Druckabfall über die Anodenseite des Stapels unter Verwendung des Druckabfalls über den Wasserabscheider, eines Druckabfalls über eine Verrohrung in dem Rezirkulationskreislauf und des gemessenen Drucks berechnet.
System nach Anspruch 17, ferner mit einem Ablassventil, wobei der Controller das Ablassventil öffnet, wenn der Prozentsatz von Wasserstoff in dem Rezirkulationsgas unter einen vorbestimmten Prozentsatz fällt.