DE102010005733B4

DE102010005733B4 - Verfahren zum Bestimmen, ob ein Anodendrucksensor, der den Druck in einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels misst, eine genaue Druckablesung bereitstellt, sowie entsprechend ausgebildetes Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102010005733B4
Application number: DE102010005733.9A
Authority: DE
Inventors: Loren Devries; Bruce J. Clingerman; Abdullah B. Alp; Aaron Rogahn
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: US8192878B2; DE102010005733A1; US20100190079A1; CN101793581B; CN101793581A

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), umfassend: zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14); eine Wasserstoffquelle, die Wasserstoff an den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14) liefert; einen Anodendrucksensor (42) zum Messen des Drucks einer Anodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14); einen Differenzdrucksensor (44) zum Messen der Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und einer Kathodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14); einen Umgebungsdrucksensor (48) zum Messen von Umgebungsdruck; und einen Controller (50), der auf Druckmesssignale von dem Anodendrucksensor (42), dem Differenzdrucksensor (44) und dem Umgebungsdrucksensor (48) anspricht, wobei der Controller (50) bestimmt, ob der Anodendrucksensor (42) richtig arbeitet, indem das Messsignal von dem Anodendrucksensor (42) mit einer Summe des Messsignals des Differenzdrucksensors (44) und des Messsignals des Umgebungsdrucksensors (48) verglichen wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Anodendrucksensor, der den Druck in einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels misst, eine genaue Druckablesung bereitstellt, sowie entsprechend ausgebildetes Brennstoffzellensystem.
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 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 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 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 auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. 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 Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor 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 ebenso Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten 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 bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus und wieder zurück zu diesem. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
Wie es in der Technik gut verständlich ist, müssen die Membranen in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Innenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Diese Befeuchtung kann von dem Stapelwasser-Nebenprodukt oder externer Befeuchtung stammen. Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels kann Wassernebenprodukt und externe Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten und sich in den Anoden- oder Kathodengasströmungskanälen ansammeln.
Typischerweise ist es notwendig, einen Brennstoffzellenstapel derart zu betreiben, dass sich die Anodenseite des Stapels bei einem geringfügig höheren Druck befindet, als die Kathodenseite des Stapels. Gründe, den anodenseitigen Druck geringfügig höher als an der Kathodenseite zu halten, umfassen eine Reduzierung der Menge eines Stickstoffübertritts, der über die MEA stattfindet, und das Verhindern, dass Kathodenabgas während eines Ablassereignisses in die Anodenseite gelangt. Um sicherzustellen, dass die richtigen Drücke vorhanden sind, verwendet das Brennstoffzellensystem typischerweise einen Kathodendrucksensor zum Messen des Drucks der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, einen Anodendrucksensor zum Messen des Drucks der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels sowie einen Differenzdrucksensor zum Messen der Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels.
Flüssiges Wasser in der Anoden- und Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels kann gefrieren und Eis bilden. Manchmal kann sich dieses Eis an und um den anodenseitigen Drucksensor bilden, was seine Fähigkeit beeinträchtigt, eine richtige Druckablesung bereitzustellen. Daher kann während der nächsten Systeminbetriebnahme ein gefrorener Anodendrucksensor eine ungenaue Ablesung angeben, die anzeigt, dass der anodenseitige Druck zu hoch oder zu niedrig ist, oder eine richtige Druckmessung angeben, wenn der anodenseitige Druck tatsächlich zu hoch oder zu niedrig ist. Wenn eine falsche Ablesung des anodenseitigen Drucks angegeben wird und der Anodendruck zu hoch ist, kann überschüssiger Wasserstoff verloren gehen und infolge eines Brechens von Komponenten können Systemausfälle auftreten. Ein niedriger anodenseitiger Druck kann zu einer schnellen Zerstörung des kathodenseitigen Katalysators führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, dafür Sorge zu tragen, dass eine etwaige Fehlfunktion eines Anodendrucksensors zuverlässig erkannt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren offenbart, um eine Plausibilitätsprüfung eines anodenseitigen Drucksensors eines Brennstoffzellenstapels auszuführen, um zu bestimmen, ob der Drucksensor eine genaue Messung bereitstellt. Vor der Systeminbetriebnahme, wenn ein kathodenseitiger Kompressor keine Kathodenluft an einen Brennstoffzellenstapel liefert und sich die Kathodenseite des Stapels bei Umgebungsdruck befindet, wird eine Druckmessung von einem Differenzdrucksensor zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Die Differenzdrucksensorablesung wird zu einer Druckmessung von einem Umgebungsdrucksensor addiert, wobei die Summe etwa gleich der Druckmessung von dem anodenseitigen Drucksensor sein sollte, wenn der anodenseitige Drucksensor richtig arbeitet.
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 Blockschaubild des Brennstoffzellensystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren gerichtet ist, um zu bestimmen, ob ein Anodendrucksensor in einem Brennstoffzellenstapel richtig arbeitet, ist lediglich beispielhafter Natur.
1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das zwei Unterstapel 12 und 14 aufweist, die unter Anodenströmungswechsel arbeiten. Wenn die Strömung in einer Richtung erfolgt, injiziert eine Injektorreihe 16 frischen Wasserstoff in die Anodenseite des Unterstapels 12 auf einer Anodeneingangsleitung 24. Anodengas, das von dem Unterstapel 12 ausgegeben wird, wird auf einer Verbindungsleitung 20 an den Unterstapel 14 geliefert. Anodenabgas wird von dem geteilten Unterstapel 14 auf Leitung 32 bei Anodenablassvorgängen ausgegeben, wenn ein Ablassventil 38 geöffnet ist, um das Anodenabgas an die Ausgangsleitung 34 zu leiten. Wenn die Strömung in der entgegengesetzten Richtung stattfindet, injiziert eine Injektorreihe 18 frischen Wasserstoff in die Anodenseite des Unterstapels 14 auf einer Anodeneingangsleitung 26, der von dem Unterstapel 14 ausgegeben und auf der Leitung 20 an den Unterstapel 12 geliefert wird. Anodenabgas wird von dem geteilten Unterstapel 12 auf Leitung 30 bei Anodenablassvorgängen ausgegeben, wenn ein Ablassventil 36 geöffnet ist, um das Anodenabgas an die Ausgangsleitung 34 zu leiten. In der Leitung 34 ist ein Abgasventil 40 vorgesehen, das während des Anodenablassvorganges und anderer Zeiten, wie es erforderlich sein kann, geöffnet ist. Gleichermaßen wird ein Anodenaustrag von dem geteilten Unterstapel 14 auf der Leitung 32 bei Anodenablassvorgängen ausgegeben, wenn ein Ablassventil 38 geöffnet ist, um das Anodenabgas an die Ausgangsleitung 34 zu führen.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner einen Kompressor 28, der Kathodenluft an die Kathodenseite der geteilten Unterstapel 12 und 14 auf einer Kathodeneingangsleitung liefert. Kathodenabgas wird von den geteilten Unterstapeln 12 und 14 auf einer Kathodenabgasleitung 22 ausgegeben, das mit dem Anodenabgas in der Leitung 34 kombiniert wird und den Wasserstoff darin verdünnt.
Ein Anodendrucksensor 42 ist in der Verbindungsleitung 20 vorgesehen und misst den Druck in der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14. Ein Differenzdrucksensor 44 ist mit der Verbindungsleitung 20 und der Kathodenausgangsleitung 22 verbunden und misst den Differenzdruck zwischen der Anode und der Kathode der Unterstapel 12 und 14. Ein Kathodendrucksensor 46 ist in der Kathodenausgangsleitung 22 vorgesehen und misst den Druck in der Kathodenseite der Unterstapel 12 und 14. Ein Umgebungsdrucksensor 48 ist in einem Gebiet an dem Fahrzeug angeordnet, das typischerweise trocken ist, so dass es nicht gefriert. Ein Controller 50 steuert die Injektorreihen 16 und 18, den Kompressor 28, die Anodenabgas-Ablassventile 36 und 38 und nimmt Druckmesssignale von den Drucksensoren 42, 44, 46 und 48 auf.
Vor der Systeminbetriebnahme liefert der Kompressor 28 allgemein keine Luft an die Kathodenseite der geteilten Unterstapel 12 und 14. Da die Kathode ein offenes System ist und da der Kompressor 28 kurz vor der Inbetriebnahme keine Luftströmung bereitstellt, befindet sich die Kathode bei Umgebungsdruck. Daher kann kurz vor der Inbetriebnahme der Controller 50 den Umgebungsdrucksensor 48 und den Differenzdrucksensor 44 verwenden, um zu bestimmen, ob der Anodendrucksensor 42 innerhalb einer gewissen vernünftigen Schwelle genau abliest. Der Kathodendrucksensor 46 liest auch einen Umgebungsdruck, bevor der Kompressor 28 Kathodenluft an die Unterstapel 12 und 14 liefert, und könnte somit auch in Kombination mit dem Differenzdrucksensor 44 verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Anodendrucksensor 42 richtig arbeitet. Jedoch ist der Kathodendrucksensor 46, da er ebenfalls in einer feuchten Umgebung angeordnet ist, auch denselben Gefrierbedingungen ausgesetzt, wie der Anodendrucksensor 42, und somit ist es nicht bekannt, ob der Kathodendrucksensor 46 eine genaue Ablesung bereitstellt. Da der Umgebungsdrucksensor 48 typischerweise in keiner feuchten Umgebung angeordnet ist, ist dieser keinen Gefrierbedingungen ausgesetzt und fällt somit aus diesem Grunde nicht aus. Der Differenzdrucksensor wird auf eine Weise verwendet, die verhindert, dass Gefrierbedingungen die Zuverlässigkeit seiner Ablesungen beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Bestimmung vor, ob der Anodendrucksensor 42 eine genaue Ablesung in einer Gefrierumgebung bereitstellt, indem die Ablesung von dem Anodendrucksensor 42 mit der Summe der Ablesungen von dem Differenzdrucksensor 44 und dem Umgebungsdrucksensor 48 verglichen wird. Da der Differenzdrucksensor 44 den Differenzdruck zwischen der Kathode und der Anode misst und die Kathode vor der Systeminbetriebnahme bei Umgebungsdruck ist, sollte dann diese Beziehung gelten, wenn alle Sensoren genaue Ablesungen bereitstellen. Diese Diagnose zur Bestimmung, ob der Anodendrucksensor 42 richtig arbeitet, kann während Gefrierbedingungen selektiv ausgeführt werden oder kann jedes Mal ausgeführt werden, wenn sich das System 10 in einem Inbetriebnahmezustand befindet.
Der Controller 50 kann die Summe der Messung von dem Umgebungsdrucksensor 48 und die Ablesung von dem Differenzdrucksensor 44 verwenden, um sicherzustellen, dass der Anodendrucksensor 42 innerhalb einer gewissen vernünftigen Schwelle richtig abliest. Wenn er sich nicht innerhalb einer vernünftigen Schwelle befindet, dann gibt der Controller 50 ein Fehlersignal aus. Die Versicherung, dass der Anodendrucksensor genau abliest, hilft, das Problem zu vermeiden, dass zu viel oder zu wenig Druck innerhalb der Anodenseite des Stapels erzeugt wird, und vermeidet potentiell somit brechende Komponenten in dem Stapel, die überschüssigen Wasserstoff freisetzen oder eine Katalysatorzerstörung bewirken.
Bei bestimmten Anwendungen, wie Kraftfahrzeuganwendungen, kann es sein, dass der Differenzdrucksensor 44 nicht in der Lage ist, eine negative Messung bereitzustellen. Daher kann es sein, dass für diejenigen Zeiten, wenn der Anodendruck in den Unterstapeln 12 und 14 unterhalb des Kathodendrucks liegt, wie beispielsweise einem Unterdruck, der in der Anodenseite der Unterstapel 12 und 14 erzeugt ist, der Differenzdrucksensor 44 keine richtige Ablesung ergeben kann. Bei solchen Situationen sieht der Differenzdrucksensor 44 einfach ein Fehlersignal vor, das angibt, dass die Ablesung unterhalb von Null liegt. Wenn ein negativer Anodendruck detektiert wird, sendet der Controller 50 dann Wasserstoff an die Unterstapel 12 und 14, um den anodenseitigen Druck anzuheben. Sobald der Anodendruck auf gleich oder über den Umgebungsdruck angehoben ist und der Differenzdrucksensor 44 keinen Fehler- oder negativen Wert mehr liest, stoppt das System die Einspritzung von Wasserstoff in die Anode und führt die Drucksensorprüfung aus, wie oben beschrieben ist. Andere Wege zur Beseitigung des Unterdrucks in der Anodenseite, um einen positiven Anodendruckwert zu ergeben, sind möglich, wie ein Öffnen der Ablassventile 36 und 38 und des Ventils 40, und sind dem Fachmann leicht offensichtlich.
Wenn die Plausibilitätsprüfung, wie oben beschrieben ist, mit einer nicht plausiblen Ablesung zurückkehrt, kann das System 10 den Kathodendrucksensor 46 minus den Differenzdrucksensor 44 gegen den Anodendrucksensor 42 für die Brennstoffzellensystemsteuerung substituieren.
Wenn die Summe des Differenzdrucksensors 44 und des Umgebungsdrucksensors 48 gleich dem Anodendrucksensor 42 innerhalb einer gewissen vernünftigen Schwelle ist, wird bestimmt, dass der Anodendrucksensor 42 genau abliest.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), umfassend: zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14); eine Wasserstoffquelle, die Wasserstoff an den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14) liefert; einen Anodendrucksensor (42) zum Messen des Drucks einer Anodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14); einen Differenzdrucksensor (44) zum Messen der Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und einer Kathodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14); einen Umgebungsdrucksensor (48) zum Messen von Umgebungsdruck; und einen Controller (50), der auf Druckmesssignale von dem Anodendrucksensor (42), dem Differenzdrucksensor (44) und dem Umgebungsdrucksensor (48) anspricht, wobei der Controller (50) bestimmt, ob der Anodendrucksensor (42) richtig arbeitet, indem das Messsignal von dem Anodendrucksensor (42) mit einer Summe des Messsignals des Differenzdrucksensors (44) und des Messsignals des Umgebungsdrucksensors (48) verglichen wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Umgebungsdrucksensor (48) in einer trockenen Umgebung angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Kompressor (28) zur Lieferung von Kathodenluft an den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14), wobei der Controller (50) bestimmt, ob der Anodendrucksensor (42) bei Systeminbetriebnahme richtig arbeitet, bevor der Kompressor (28) die Kathodenluft an den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14) liefert, wenn die Kathodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14) bei Umgebungsdruck ist, wobei der Umgebungsdrucksensor (42) insbesondere ein Drucksensor ist, der den Druck der Kathodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14) misst.
System nach einem der Ansprüche 1, wobei der Controller (50) bestimmt, ob der Anodendrucksensor (42) richtig arbeitet, wenn der Controller (50) bestimmt, dass sich der Anodendrucksensor (42) in einem Gefrierzustand befinden kann.
System nach einem der Ansprüche 1, wobei der Controller (50) bewirkt, dass die Wasserstoffquelle Wasserstoff an den zumindest einen Brennstoffzellenstapel (12, 14) liefert, um den Druck der Anodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14) auf gleich oder oberhalb des Drucks der Kathodenseite des zumindest einen Brennstoffzellenstapels (12, 14) anzuheben, bevor bestimmt wird, ob der Anodendrucksensor (42) richtig arbeitet, wenn der Controller (50) bestimmt, dass der kathodenseitige Druck höher als der anodenseitige Druck ist.
System nach einem der Ansprüche 1, wobei der zumindest eine Brennstoffzellenstapel (12, 14) einen ersten und einen zweiten Unterstapel (12, 14) aufweist, wobei die Anodenseite der Unterstapel (12, 14) durch eine Verbindungsleitung (20) verbunden ist, wobei der Anodendrucksensor (42) den Druck in der Anodenseite der Unterstapel (12, 14) in der Verbindungsleitung (20) misst.
Verfahren zum Bestimmen, ob ein Anodendrucksensor (42), der den Druck in einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels (12, 14) misst, eine genaue Drucksensorablesung bereitstellt, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Umgebungsdruck gemessen wird; ein Differenzdruck zwischen einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12, 14) und der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12, 14) gemessen wird; die Umgebungsdruckmessung und die Differenzdruckmessung addiert werden; und bestimmt wird, ob der Anodendrucksensor (42) richtig arbeitet, indem die addierten Differenzdruck- und Umgebungsdruckmessungen mit der Anodendrucksensormessung verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Umgebungsdruck mit Hilfe eines in einer trockenen Umgebung angeordneten Umgebungsdrucksensors (48) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Messen des Umgebungsdrucks umfasst, dass ein Kathodendrucksensor (46) in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12, 14) verwendet wird, wenn die Kathodenseite offen zu der Umgebung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend, dass Wasserstoff zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels (12, 14) hinzugesetzt wird, wenn der Differenzdruck zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite angibt, dass der kathodenseitige Druck höher als der anodenseitige Druck ist.