DE102009050934B4

DE102009050934B4 - Verfahren und System für Abhilfemassnahmen in dem Fall des Ausfalls eines Kathodenbypassventils in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102009050934B4
Application number: DE102009050934.8A
Authority: DE
Inventors: Matthew C. Kirklin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2017-01-12
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: US20100112385A1; DE102009050934A1; CN101728555A; CN101728555B; US8603686B2

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors (14), der eine Luftströmung zu einer Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12) liefert, wobei das Verfahren umfasst, dass: bestimmt wird, dass ein Kathodenbypassventil (44) ausgefallen ist, das die Strömung von Luft von dem Kompressor (14) zu einem Kathodenaustrag (28) ohne Durchgang durch den Stapel (12) steuert; primäre Luftströmungs- und Druckregelungsalgorithmen in Ansprechen auf den Ventilausfall außer Betrieb gesetzt werden; ein Kathodenaustragsventil (30) in eine offene Position versetzt wird; eine Stapelleistungsanforderung von dem Brennstoffzellenstapel (12) bestimmt wird; und der Kompressor (14) unter Verwendung einer Steuerung gesteuert wird; dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das Kathodenbypassventil (44) in einer offenen Position ausgefallen ist, eine Luftströmung von dem Kompressor (14) zu dem Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Massenstrommesser (38) gemessen wird, der einem Wärmetauscher (36) nachgeordnet ist, der die Temperatur der Luftströmung reduziert, die infolge ihrer Kompression durch den Kompressor (14) erwärmt worden ist, und die Drehzahl des Kompressors (14) auf Grundlage der Stapelleistungsanforderung eingestellt wird und die gemessene Luftströmung zu dem Stapel (12) dazu verwendet wird, eine maximale Stromentnahme von dem Stapel (12) einzustellen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein System zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber 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 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.
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 Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über 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 Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. Auf der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus.
Der Stapelluftkompressor kann nicht bei allen Strömungs- und Druckkombinationen, die für einen Brennstoffzellenstapel erforderlich sind, arbeiten. Daher umfasst ein Brennstoffzellensystem typischerweise ein Kathodenbypassventil, das ermöglicht, dass zumindest ein Teil der Luftströmung den Brennstoffzellenstapel umgehen und direkt an den Kathodenaustrag strömen kann. Beispielsweise existieren Punkte in dem Betriebsbereich eines Brennstoffzellenstapels, die weniger Kathodenluftströmung erfordern, als der Kompressor bei seiner minimalen Drehzahl liefern kann. Während dieser Bedingungen wird das Bypassventil dazu verwendet, einen Teil der Kompressorluftströmung an den Austrag umzulenken.
Bei einigen Brennstoffzellensystemen geht das Kathodenbypassventil standardmäßig in die offene Position, so dass, wenn das Ventil ausfällt, der größte Teil der Kompressorluftströmung an den Systemaustrag geliefert wird. In Ansprechen auf den Ausfall des Bypassventils in der offenen Position erhöht der Kompressor seine Drehzahl, bis seine maximale Drehzahl erreicht ist, in einem Versuch, die zur Erfüllung der Stapelleistungsanforderung benötigte Luftströmung zu liefern. Ferner werden, wenn das Bypassventil in der offenen Position ist, die Systemalgorithmen versuchen, den Druck in dem Brennstoffzellenstapel durch Schließen des Kathodenabgasventils zu erhöhen. Wenn das Kathodenabgasventil bei dem Versuch, den Stapeldruck zu steuern, geschlossen ist, gelangt sehr wenig, wenn überhaupt, Luftströmung zu dem Stapel, da diese durch das Bypassventil aus dem Kathodenaustrag herausströmt.
Die WO 2008/130047 A1 beschreibt ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3. Allgemeine Steuerverfahren und -systeme für Brennstoffzellen sind in WO 2007/117018 A1 , US 2006/0099469 A1 und DE 10 2007 048 867 A1 beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren bzw. System zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors, der eine Luftströmung an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels liefert, bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors, der Luft an die Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels liefert, in dem Falle offenbart, dass ein Kathodenbypassventil ausfällt bzw. funktionsunfähig wird. Wenn ein Ausfall des Bypassventils detektiert wird, setzt ein Ausfallalgorithmus zuerst die normalen Strömungs- und Druckalgorithmen, die dazu verwendet werden, die Luftströmung zu der Kathodenseite des Stapels zu regeln, außer Betrieb. Anschließend öffnet der Ausfallalgorithmus das Kathodenabgasventil in seine vollständig geöffnete Position. Dann wird die Kompressorregelung in Ansprechen auf eine Stapelleistungsanforderung in eine Steuerung (engl.: ”open-loop control”) gebracht, bei der eine Nachschlagetabelle verwendet wird, um eine bestimmte Kompressordrehzahl für eine Leistungsanforderung bereitzustellen. Ein Luftströmungsmesser misst die Luftströmung zu dem Stapel, und der Stapelstrom wird auf Grundlage dieser Luftströmung begrenzt.
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 Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Prozess zum Steuern einer Kathodeneingangsluftströmung von einem Kompressor in dem Fall eines Ausfalls eines Kathodenbypassventils verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zum Steuern des Kompressors in Ansprechen auf einen Ausfall eines Kathodenbypassventils zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Kompressors in Ansprechen auf einen Ausfall eines Kathodenbypassventils in einem Brennstoffzellensystem gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch einen durch einen Motor 16 betriebenen Kompressor 14 auf, der eine Luftströmung an eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 18 bereitstellt. Ein Temperatursensor 20 misst die Temperatur der Kathodeneingangsluft in den Stapel 12, und ein RF-Sensor 22 misst die relative Feuchte der Kathodeneingangsluft in den Stapel 12. Die Feuchte der Kathodeneingangsluft wird durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit 24 bereitgestellt, die das Kathodenabgas auf einer Kathodenaustragsleitung 26 aufnimmt, das typischerweise eine Feuchte von 100% oder mehr besitzt. Wasser und Wasserdampf von dem Kathodenabgas werden in der WVT-Einheit 24 dazu verwendet, die Kathodeneingangsluft zu befeuchten, die an die Eingangsleitung 18 bereitgestellt wird. Ein Drucksensor 48 in der Kathodenaustragsleitung 26 misst den Druck der Kathodenseite des Stapels 12. Das Kathodenabgas wird von der WVT-Einheit 24 auf einer Systemausgangsleitung 28 ausgegeben und durch ein Kathodenabgasventil 30 geregelt. Für diejenigen Zeiten, in denen es nicht erwünscht ist, die Kathodeneingangsluft zu befeuchten, kann die Kathodeneingangsluft um die WVT-Einheit 24 herum auf einer Bypassleitung 32 durch ein Bypassventil 34 geführt werden.
Die Kathodeneingangsluft von dem Kompressor 14 wird an einen Wärmetauscher 36 geliefert, der die Temperatur der Luft reduziert, die infolge ihrer Kompression durch den Kompressor 14 erwärmt worden ist. Zusätzlich kann der Wärmetauscher 36 Wärme an die Kathodeneingangsluft während bestimmter Zeiten bereitstellen, wie beim Kaltstart, um den Brennstoffzellenstapel 12 schneller zu erwärmen. Ein Drucksensor 50 an dem Ausgang des Kompressors 14 misst den Austrittsdruck des Kompressors 14. Die Kathodeneingangsluft von dem Wärmetauscher 36 wird durch einen Strömungsmesser 38 geliefert, wie einen Massenstrommesser, der die Strömung der Kathodeneingangsluft zu dem Stapel 12 misst. Wie es dem Fachmann gut bekannt ist, muss die Strömung der Kathodeneingangsluft zu dem Stapel 12 straff geregelt werden, um die richtige Kathodenstöchiometrie bereitzustellen, so dass nicht zu viel Luft an den Stapel 12 geliefert wird, was eine nachteilige Trocknungswirkung auf die Membranen innerhalb der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 besitzen könnte, oder zu wenig Luft, was eine Brennstoffzelleninstabilität infolge eines Sauerstoffmangels bewirken könnte. Ein Temperatursensor 40 misst die Temperatur der Kathodeneingangsluftströmung, um den Wärmetauscher 36 zu regeln, und ein Ventil 42 regelt die Menge an Kathodenluft, die in die WVT-Einheit 24 strömt oder die WVT-Einheit 24 auf der Bypassleitung 32 umgeht.
Die Luftströmung von dem Kompressor 14 zu der Kathodenseite des Stapels 12 wird auf Grundlage der Stapelstromanforderung und des Stapeldrucks geregelt. Typischerweise ist es nicht möglich, die Drehzahl des Kompressors 14 so steuern zu können, dass die exakte Luftmenge für die gewünschte Kathodenstöchiometrie bereitgestellt wird. Daher wird ein Kathodenbypassventil 44 bereitgestellt, das die Menge an Kathodeneingangsluft proportional regelt, die den Stapel 12 umgeht oder zu dem Stapel 12 durch den Wärmetauscher 26 strömt. Die Kathodenluft, die den Stapel 12 umgeht, strömt durch eine Bypassleitung 46 und direkt zu der Kathodenabgasleitung 28.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Prozess zur Steuerung der Drehzahl des Kompressors 14 in Ansprechen auf einen Ausfall des Bypassventils 44 vor. Wie oben diskutiert ist, geht das Bypassventil 44 typischerweise standardmäßig in eine vollständig offene Position, wenn es ausfällt. Ferner würden, um den Druck des Stapels 12 zu regeln, normale Systemregelungsalgorithmen das Abgasventil 30 schließen. Jedoch strömt, wenn das Abgasventil 30 in der geschlossenen Position ist, wenig oder keine Luft zu dem Stapel 12 aufgrund des Pfades mit geringem Strömungswiderstand durch das offene Bypassventil 44. Daher setzt die vorliegende Erfindung die normalen Strömungs- und Druckalgorithmen des Systems 10 außer Betrieb und öffnet das Abgasventil 30, so dass zumindest einige Luftströmung von dem Kompressor 14 durch den Stapel 12 gelangt. Ferner wird die Regelung des Kompressors 14 zu einer Steuerung umgeschaltet, bei der eine Leistungsanforderung von dem Stapel 12 zur Folge hat, dass der Kompressor 14 bei einer gewissen vorbestimmten Drehzahl von beispielsweise einer Nachschlagetabelle arbeitet. Bei dieser Drehzahl wird die Luftströmung durch den Stapel 12 durch den Strömungsmesser 38 gemessen, und die maximale Stromentnahme von dem Stapel 12 wird auf Grundlage dieser Luftströmung eingestellt. Sobald die Luftströmung zu dem Stapel 12 bekannt ist, können dann andere Systemprozesse entsprechend gesteuert werden, wie die Menge an Wasserstoff, die an die Anodenseite des Stapels 12 geliefert wird. Da die Menge an Luft, die an den Stapel 12 geliefert wird, mit dem offenen Bypassventil 44 typischerweise niedrig ist, befindet sich das Fahrzeug typischerweise in einer ”Notlaufbetriebsart”, bei der die Leistungsmenge, die der Stapel 12 bereitstellen kann, minimal ist.
2 ist ein Flussdiagramm 60, das den Betrieb zur Steuerung der Drehzahl des Kompressors 14 zeigt, wie oben diskutiert ist. Bei Kasten 62 detektieren die Strömungsregelungsalgorithmen einen Ausfall des Bypassventils 44 und setzen bei Kasten 64 die primären Luftströmungs- und Druckregelungsalgorithmen außer Betrieb. Der Algorithmus setzt dann bei Kasten 66 das Kathodenaustragsventil 30 in seine vollständig offene Position. Der Algorithmus bestimmt dann bei Kasten 66 eine Stapelleistungsanforderung, und bei Kasten 70 wird die Drehzahl des Kompressors 14 unter Verwendung einer Steuerung und einer Nachschlagetabelle für die Anforderung gesteuert. Insbesondere wird für eine bestimmte Stapelleistungsanforderung die Drehzahl des Kompressors 14 auf eine gewisse vorbestimmte Drehzahl für diese Anforderung eingestellt. Die Luftströmung zu dem Stapel 12 wird dann bei Kasten 72 durch den Strömungsmesser 38 gemessen, und der Stapelstrom wird bei Kasten 74 auf Grundlage der gemessenen Luftströmung begrenzt.

Claims

Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors (14), der eine Luftströmung zu einer Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12) liefert, wobei das Verfahren umfasst, dass: bestimmt wird, dass ein Kathodenbypassventil (44) ausgefallen ist, das die Strömung von Luft von dem Kompressor (14) zu einem Kathodenaustrag (28) ohne Durchgang durch den Stapel (12) steuert; primäre Luftströmungs- und Druckregelungsalgorithmen in Ansprechen auf den Ventilausfall außer Betrieb gesetzt werden; ein Kathodenaustragsventil (30) in eine offene Position versetzt wird; eine Stapelleistungsanforderung von dem Brennstoffzellenstapel (12) bestimmt wird; und der Kompressor (14) unter Verwendung einer Steuerung gesteuert wird; dadurch gekennzeichnet, dass bestimmt wird, dass das Kathodenbypassventil (44) in einer offenen Position ausgefallen ist, eine Luftströmung von dem Kompressor (14) zu dem Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Massenstrommesser (38) gemessen wird, der einem Wärmetauscher (36) nachgeordnet ist, der die Temperatur der Luftströmung reduziert, die infolge ihrer Kompression durch den Kompressor (14) erwärmt worden ist, und die Drehzahl des Kompressors (14) auf Grundlage der Stapelleistungsanforderung eingestellt wird und die gemessene Luftströmung zu dem Stapel (12) dazu verwendet wird, eine maximale Stromentnahme von dem Stapel (12) einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verwendung einer Steuerung umfasst, dass die Kompressordrehzahl von einer Nachschlagetabelle bestimmt wird.
System zur Steuerung der Drehzahl eines Kompressors (14), der eine Luftströmung an eine Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12) liefert, wobei das System umfasst: ein Mittel zur Bestimmung, dass ein Kathodenbypassventil (44) ausgefallen ist, das die Luftströmung von dem Kompressor (14) zu einem Kathodenaustrag ohne Durchgang durch den Stapel (12) steuert; ein Mittel, um primäre Luftströmungs- und Druckregelungsalgorithmen in Ansprechen auf den Ventilausfall außer Betrieb zu setzen; ein Mittel zum Einstellen eines Kathodenaustragsventils (30) in eine offene Position; ein Mittel zur Bestimmung einer Stapelleistungsanforderung von dem Brennstoffzellenstapel (12); und ein Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Kompressors (14) unter Verwendung einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung, dass das Kathodenbypassventil (44) ausgefallen ist, ausgebildet ist, zu bestimmen, dass das Kathodenbypassventil (44) in einer offenen Position ausgefallen ist, einen Massenstrommesser (38) zum Messen einer Luftströmung von dem Kompressor (14) zu dem Brennstoffzellenstapel (14), wobei der Massenstrommesser (38) einem Wärmetauscher (36) nachgeordnet ist, der die Temperatur der Luftströmung reduziert, die infolge ihrer Kompression durch den Kompressor (14) erwärmt worden ist, und die Drehzahl des Kompressors (14) auf Grundlage der Stapelleistungsanforderung eingestellt wird und die gemessene Luftströmung zu dem Stapel (12) dazu verwendet wird, eine maximale Stromentnahme von dem Stapel einzustellen.
System nach Anspruch 3, wobei das Mittel zur Steuerung der Drehzahl des Kompressors (14) unter Verwendung einer Steuerung ein Mittel zur Bestimmung der Kompressordrehzahl aus einer Nachschlagetabelle umfasst.