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Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren und ein System zur effizienten Bereitstellung einer Anodenrezirkulation für einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein Verfahren und ein System zur effizienten Bereitstellung eines Anodenrezirkulationsgases an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Injektors/Ejektors.
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. 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 zu der 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.
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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.
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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 auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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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. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Einige Brennstoffzellensysteme verwenden eine Anodenrezirkulation, bei der das Anodenabgas zurück an den Anodeneingang geliefert wird, so dass der nicht verbrauchte Wasserstoff in dem Abgas wieder verwendet werden kann. Typischerweise ist in dem Anodenrezirkulationskreislauf eine Pumpe erforderlich, so dass der richtige Druck und das richtige Verhältnis von Rezirkulationsgas zu frischem Wasserstoff an den Anodeneingang des Stapels geliefert werden, um einen effizienten Stapelbetrieb bereitzustellen. Eine unkorrekte Anodenströmung und ein unkorrekter Druck für den Brennstoffzellenstapel können in einem geringen Anodendurchfluss resultieren, der ermöglichen kann, dass sich in den Anodenströmungskanälen Wasser ansammelt. Eine Ansammlung von Wasser in den Anodenströmungskanälen kann eine Umleitung der Anodenströmung zu anderen Kanälen bewirken, wobei diejenigen Kanäle, die bestimmte Brennstoffzellen in dem Stapel speisen, an Wasserstoff verarmen und einem Spannungseinbruch ausgesetzt sein können. Bei einer Ausführungsform ist es notwendig, etwa halb so viel Rezirkulationsgas wie frischen Wasserstoff, der an die Anodenseite des Stapels geliefert wird, bereitzustellen. Wenn nicht ausreichend Rezirkulationsgas bereitgestellt wird, dann kann der Durchfluss möglicherweise nicht hoch genug sein, um überschüssiges Wasser in den Anodenströmungskanälen auszutreiben. Je geringer die Stromdichte des Stapels ist, umso geringer ist der Anodendurchfluss und umso wahrscheinlicher wird der Stapel mit Wasser geflutet.
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Eine unkorrekte Anodenströmung und ein unkorrekter Druck zu dem Brennstoffzellenstapel können auch in einem geringen Anodendurchfluss resultieren, der möglicherweise nicht an jede Brennstoffzelle in dem Stapel Wasserstoffgas liefern kann. Wie erwähnt ist, kann ein typischer Brennstoffzellenstapel 200 oder mehr Brennstoffzellen aufweisen. Toleranzen in den Materialeigenschaften können für einige der Brennstoffzellen einen höheren Druckabfall bewirken, wodurch die Menge an Gas, die an eine einzelne Brennstoffzelle geliefert wird, reduziert wird. Wenn nicht ausreichend Rezirkulationsgas bereitgestellt wird, dann kann der Durchfluss möglicherweise nicht hoch genug sein, um ausreichend Wasserstoffgas an die Brennstoffzellen mit einem höheren individuellen Druckabfall zu liefern.
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Die US 2006 / 0 024 548 A1 offenbart einen Injektor/Ejektor für ein Brennstoffzellensystem, der eine Kombination von Anodenkraftstoff und Anodenabgas in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels injiziert. Der Injektor/Ejektor ist derart ausgelegt, dass er den Bedarf nach einer Rezirkulationspumpe in einem Anodenrezirkulationssystem beseitigt. Jedoch können Verbesserungen zur Verwendung eines Injektors/Ejektors zur Bereitstellung des richtigen Verhältnisses von frischem Wasserstoff und Anodenrezirkulationsgas an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels für einen effizienten Stapelbetrieb gemacht werden.
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Ein Injektor ist eine Impulsvorrichtung, bei der, wenn der Injektor offen ist, die Gasströmung im Wesentlichen konstant ist, und wenn der Injektor geschlossen ist, keine Strömung bereitgestellt wird. Eine typische Steuerung eines Injektors verwendet ein variables Einschaltverhältnis und eine fixierte Frequenz. Das Einschaltverhältnis ist der Prozentsatz der Zeit, die der Injektor während eines Frequenzzyklus offen ist. Eine typische Frequenz zur Injektorsteuerung in einem Brennstoffzellensystem kann in der Höhe von 60 Hz oder so niedrig wie 15 Hz liegen. Manchmal ist eine höhere Frequenz für eine stabilere Stapeldrucksteuerung bevorzugt.
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Die Steuerung des Injektors mit einer fixierten Frequenz bewirkt, dass der Injektor nur für eine sehr kurze Zeitperiode offen ist, wenn das Brennstoffzellensystem bei geringer Leistung arbeitet. Beispielsweise kann das Einschaltverhältnis bei Systemleerlauf so niedrig wie 1 % sein. In diesem Fall ist der Injektor für weniger als 1 ms offen, wenn der Injektor mit einer Frequenz von 15 Hz betrieben wird. Obwohl dies lang genug ist, um die richtige Menge an Wasserstoff für die Brennstoffzellenreaktion zu liefern, kann sie zu kurz sein, um einen Druckabfall über die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels aufzubauen und damit eine ausreichend hohe Gasgeschwindigkeit durch den Brennstoffzellenstapel zu erreichen. Ein bestimmter Druckabfall ist zur gleichförmigen Strömungsverteilung erforderlich, und eine hohe Gasgeschwindigkeit verbessert ein Wassermanagement.
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US 2009 / 0 130 510 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffzufuhrsystem, um der Zelle ein Brennstoffgas zuzuführen, einem Injektor, um einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzufuhrsystems Gas zuzuführen, und einem Steuermittel, um den Injektor in einem vorher festgelegten Antriebszyklus anzutreiben und zu steuern. Das Steuermittel stellt den Antriebszyklus stellt den Antriebszyklus als lang ein, wenn eine durch die Brennstoffzelle erzeugte Leistungsmenge klein ist bzw. wenn ein Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgases niedrig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren und ein System zu schaffen, mit denen es möglich ist, auch bei geringen Stapelstromdichten stets eine zuverlässige Lieferung von Wasserstoff für die Brennstoffzellenreaktion bereitzustellen, während gleichzeitig ein ausreichender Anodendruck in dem Stapel zum Austreiben von überschüssigem Wasser vorgesehen werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 4 und 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- 1 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems, das einen Anodenrezirkulationskreislauf und einen Injektor/Ejektor zur Injektion von frischem Wasserstoff und rezirkuliertem Anodenabgas in die Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels verwendet;
- 2 ist ein Diagramm mit dem Einschaltverhältnis an der horizontalen Achse und der Frequenz an der vertikalen Achse, das eine Änderung der Frequenz des in 1 gezeigten Injektors/Ejektors bei geringen Stapelstromdichten relativ zu seinem Einschaltverhältnis zeigt;
- 3a und 3b sind Diagramme mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Druck an der vertikalen Achse für einen Injektor/Ejektor mit fixierter Frequenz bzw. einen Injektor/Ejektor mit fixierter Impulsbreite; und
- 4 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse, der Zellenspannung an der linken vertikalen Achse und dem Einschaltverhältnis/der Frequenz des Injektors/Ejektors an der rechten vertikalen Achse, das eine Stapelstabilität mit einer fixierten Frequenz von 15 Hz und einer variablen Frequenz zeigt.
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1 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Eine Wasserstoffgasquelle 14 liefert Wasserstoffgas an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 durch einen Injektor/Ejektor 16. Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Anodenrezirkulationsleitung 18 ausgegeben, die das Anodenabgas an den Injektor/Ejektor 16 zurückführt. Wie oben diskutiert ist, ist der Injektor/Ejektor 16 eine bekannte Vorrichtung, die ein Einschaltverhältnis besitzt, das eine Strömung von Wasserstoffgas von der Quelle 14 liefert, wenn der Injektor/Ejektor 16 offen ist, und die Strömung von Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel 12 unterbindet, wenn der Injektor/Ejektor 16 geschlossen ist. Wenn der Injektor/Ejektor 16 offen ist, erzeugt der hohe Durchfluss des frischen Wasserstoffs durch eine Öffnung einen niedrigen Druckabfall in dem Injektor/Ejektor 16, der bewirkt, dass das Anodenrezirkulationsgas in den Injektor/Ejektor 16 von der Leitung 18 gezogen wird. Der Injektor/Ejektor 16 kann ein beliebiger geeigneter Injektor/Ejektor für die hier beschriebenen Zwecke sein, wie derjenige, der in der US 2006 / 0 024 548 A1 offenbart ist.
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Wie oben diskutiert ist, ist bei geringen Stapelstromdichten nur eine kleine Menge an Wasserstoff für einen richtigen Brennstoffzellenstapelbetrieb erforderlich. Daher wird das Einschaltverhältnis des Injektors/Ejektors 16 typischerweise reduziert, wenn die Stapelstromdichte reduziert wird, so dass er weniger oft geöffnet wird. Wie nachfolgend detailliert beschrieben ist, ändert die vorliegende Erfindung die Frequenz des Injektors/Ejektors 16 allgemein auf Grundlage der Stromdichte des Brennstoffzellenstapels 12, so dass bei geringen Wasserstoffströmungsanforderungen die von der Quelle 14 bereitgestellte Wasserstoffmenge niedrig und richtig ist, jedoch die Zeit, die der Injektor/Ejektor 16 offen ist, lang genug ist, um Wasser aus den Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 12 zu treiben. Mit anderen Worten ist bei geringen Stapelstromdichten die Zeitdauer, die der Injektor/Ejektor 16 offen ist, lang genug, um ausreichend Anodendruck in dem Stapel 12 bereitzustellen, um das Wasser auszutreiben, jedoch die Frequenz, die der Injektor/Ejektor offen ist, weniger häufig ist. Somit wird dieselbe Wasserstoffmenge an den Stapel für die jeweilige Stapelstromdichte geliefert, wie bei den Systemen mit fixierter Frequenz.
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Ein Controller 20 empfängt eine Stromdichteablesung von dem Brennstoffzellenstapel 12 und steuert das Einschaltverhältnis des Injektors/Ejektors 16 bei der gewünschten Frequenz, wie hier beschrieben ist.
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Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform basiert die Impulsbreite der Anweisung, die den Injektor/Ejektor 16 öffnet, auf einer fixierten minimalen Impulsbreite, wie 5 ms. Dies wird durch Variation der Frequenz der Injektorimpulse erreicht, um sicherzustellen, dass jeder Ein-Zyklus des Injektors/Ejektors 16 zumindest 5 ms beträgt. Die Frequenz kann eine maximale Frequenz für höhere Stapelstromdichten besitzen, wenn die Impulsbreite erhöht ist, um die richtige Wasserstoffgasmenge bereitzustellen, sobald die maximale Frequenz erreicht ist. Somit wird, falls die Stapelstromdichte abnimmt, wenn der Injektor/Ejektor 16 bei der maximalen Frequenz ist, die Impulsbreite reduziert, da der Bedarf nach Wasserstoffgas reduziert wird, bis die Impulsbreite die minimale Impulsbreite erreicht. Danach wird die Frequenz des Injektors/Ejektors 16 reduziert, so dass die richtige Menge an Wasserstoffgas für die Stapelstromdichte bereitgestellt wird, jedoch die Ein-Zeit des Injektors/Ejektors 16 für jeden Zyklus der Frequenz konstant beibehalten wird.
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Die folgende Gleichung wird dazu verwendet, die Pulsbreite des Injektors/Ejektors
16 zu berechnen.
wobei DC das Einschaltverhältnis des Injektors/Ejektors
16 ist und f die Frequenz des von dem Controller
20 bereitgestellten Signals ist.
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Ein Umstellen der Gleichung (1) und Auflösen nach der Frequenz ergibt:
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Der Grund, dass die Frequenz gewählt wird, um geändert zu werden, besteht darin, dass das Einschaltverhältnis durch den Stapeldrucksteueralgorithmus bestimmt wird als:
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Das Einschaltverhältnis ist eine Funktion der Stromdichte, der Druckänderung der Anodenseite des Stapels 12 und der Position anderer Ventile in dem Anodensubsystem. Diese Berechnung wird nur bei geringer Stapelstromdichte verwendet, wenn die Frequenz zur Erfüllung der fixierten Impulsbreite von 5 ms kleiner als 15 Hz ist. Wenn das Ergebnis der Berechnung größer als 15 Hz ist, dann wird die Frequenz auf 15 Hz gesetzt. Diese Werte sind lediglich repräsentativ, da die oben beschriebene Vorgehensweise für eine beliebige geeignete maximale Frequenz und minimale Impulsbreite verwendet werden kann.
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2 ist ein Diagramm mit dem Einschaltverhältnis an der horizontalen Achse und der Frequenz an der vertikalen Achse, das zeigt, wie die Frequenz bei einem geringen Einschaltverhältnis, d.h. Stapelstromdichte, reduziert wird, und dass, wenn das Einschaltverhältnis etwa 10 % erreicht, die maximale Frequenz erreicht wird, wobei nur das Einschaltverhältnis geändert wird, falls die Stapelstromdichte zunimmt.
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Die 3a und 3b sind Diagramme mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Druck an der vertikalen Achse, wobei das Diagramm 3b für eine fixierte Frequenz von 15 Hz für den Injektor/Ejektor 16 bei 0,05 A/cm2 vorgesehen ist und das Diagramm 3a für eine fixierte Impulsbreite des Signals für den Injektor/Ejektor 16 bei derselben Stromdichte vorgesehen ist, um zu zeigen, dass der Druck in der Anodenseite des Stapels unter Verwendung des Schemas mit fixierter Impulsbreite der Erfindung gegenüber der in der Technik bekannten fixierten Frequenz der Impulsbreite zunimmt. Die obere Linie der beiden Diagramme ist ein Anodeneinlassdruck, und die untere Linie in den beiden Diagrammen ist der Anodenauslassdruck. Je mehr Strömung durch die Anodenströmungskanäle gelangt, umso höher ist der Druck über die Anodenströmungskanäle, wie durch das obere Diagramm gezeigt ist. Somit wird mehr Wasser aus den Anodenströmungskanälen getrieben, und es wird ausreichend Gas an jede Brennstoffzelle in dem Stapel 12 geliefert.
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4 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse, der Zellenspannung an der linken vertikalen Achse und dem Einschaltverhältnis/der Frequenz des Injektors/Ejektors 16 an der rechten vertikalen Achse, das Vorteile der Frequenzsteuerung des Injektors/Ejektors 16 zeigt. Die Linie 30 ist die durchschnittliche Zellenspannung, und die Linie 32 ist die minimale Zellenspannung. Die Linie 34 zeigt ein Einschaltverhältnis des Injektors/Ejektors von etwa 1 % für 15 Hz. Bei dieser Frequenz und diesem Einschaltverhältnis beginnt die minimale Zellenspannung auf einen gewissen Punkt zu fallen. Wenn der Controller 20 auf die durch Linie 36 gezeigte Impulsbreitensteuerung geschaltet wird, kehrt die minimale Zellenspannung zu dem Durchschnitt zurück, was zeigt, dass der Stapel 12 unter Verwendung der Impulsbreitensteuerung des Injektors/Ejektors 16 stabiler ist, als mit einer Steuerung mit fixierter Frequenz.
