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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Abreichern des Sauerstoffs in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung eines Volumens von sauerstoffabgereichertem Gas so weit wie möglich über das Kathodensubsystem hinweg.
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Diskussion der verwandten Technik
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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 an dem Anodenkatalysator 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 an dem Kathodenkatalysator, 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 Anoden- und Kathodenelektroden oder Katalysatorschichten weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem lonomer 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). Jede MEA ist gewöhnlich schichtartig zwischen zwei Lagen aus porösem Material, der Gasdiffusionsschicht (GDL), angeordnet, die die mechanische Stabilität der Membran schützt und auch eine gleichförmige Reaktanden-Feuchte-Verteilung unterstützt. 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 Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Nebenprodukt der in dem Stapel stattfindenden chemischen Reaktion enthalten kann.
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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 anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler oder Strömungsfelder 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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Wasser wird als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt, wobei daher das Kathodenabgas von dem Stapel typischerweise Wasserdampf und flüssiges Wasser enthält. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen und das Wasser zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluftströmung zu verwenden. Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Wasserübertragungselemente, wie der Membranen, wird durch die Wasserübertragungselemente absorbiert und an den Kathodenluftstrom an der anderen Seite der Wasserübertragungselemente übertragen.
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Wenn ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, verbleibt nicht reagiertes Wasserstoffgas in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Dieses Wasserstoffgas ist in der Lage, durch die Membran zu diffundieren oder diese zu durchqueren und mit dem Sauerstoff in der Kathodenseite zu reagieren. Wenn das Wasserstoffgas zu der Kathodenseite diffundiert, wird der Gesamtdruck auf der Anodenseite des Stapels reduziert, wobei es möglich ist, den Druck unter Umgebungsdruck zu reduzieren. Diese Druckdifferenz kann Luft aus der Umgebung in die Anodenseite des Stapels ziehen. Es ist auch möglich, dass Luft in die Anode durch Diffusion von der Kathode eintritt. Wenn die Luft in die Anodenseite des Stapels eintritt, kann sie Luft/Wasserstoff-Fronten erzeugen, die einen Kurzschluss in der Anodenseite bilden, was in einem lateralen Fluss von Wasserstoffionen von dem wasserstoffgefluteten Abschnitt der Anodenseite zu dem luftgefluteten Abschnitt der Anodenseite führt. Dieser Strom kombiniert mit dem hohen lateralen Ionenwiderstand der Membran erzeugt einen signifikanten lateralen Potentialabfall (-0,5 V) über die Membran. Dies erzeugt ein lokales hohes Potential zwischen der Kathodenseite entgegengesetzt des luftgefüllten Abschnitts der Anodenseite und benachbart der Elektrolytmembran, das eine schnelle Kohlenstoffkorrosion antreibt und bewirkt, dass die Elektrodenkohlenstoffschicht dünner wird. Dies verringert den Träger für die Katalysatorpartikel, was die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verringert.
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Bei Kraftfahrzeuganwendungen existiert eine große Anzahl von Start- und Stoppzyklen über die Lebensdauer des Fahrzeugs und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems, von denen jeder eine Luft/Wasserstoff-Front erzeugen kann, wie oben beschrieben ist. Ein durchschnittliches Fahrzeug kann über seine Nutzlebensdauer 40.000 Inbetriebnahme/Abschalt-Zyklen ausgesetzt sein. Start- und Stoppzyklen schädigen das Brennstoffzellensystem aufgrund des Potentials, das durch eine Luft/Wasserstoff- Front erzeugt werden kann und die beste demonstrierte Verringerung eines Schadens bewirkt immer noch etwa 2 bis 5 µV einer Schädigung pro Start- und Stoppzyklus. Somit kann die Gesamtschädigung über die 40.000 Start- und Stoppzyklusereignisse 100 mV überschreiten. Jedoch kann dadurch, dass kein Lufteintritt in den Brennstoffzellenstapel zugelassen wird, während das Brennstoffzellensystem abgeschaltet ist, ein Schaden während nachfolgender Neustarts reduziert oder verhindert werden.
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In der Technik ist es bekannt, dass Wasserstoffgas aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bei Systemabschaltung durch Treiben von Luft von dem Kompressor in die Anodenseite bei hohem Druck zu spülen. Jedoch erzeugt die Luftspülung eine Luft/Wasserstoff-Front, wie oben diskutiert ist, die zumindest einige Korrosion der Kohlenstoffträgerstruktur bewirkt.
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Ein anderes bekanntes Verfahren in der Technik besteht darin, eine Kathodenrezirkulation bereitzustellen, um eine Kathodenkorrosion bei Systemabschaltung zu reduzieren, wie in der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen nicht vorläufigen U.S.-Patentanmeldung
US 2008/0038602 A1 mit dem Titel „Method for Mitigating Cell Degradation Due to Startup and Shutdown Via Cathode Re-Circulation Combined with Electrical Shorting of Stack‟ beschrieben ist. Insbesondere ist es bekannt, ein Gemisch aus Luft und einer kleinen Menge an Wasserstoff durch die Kathodenseite des Stapels bei Systemabschaltung zu pumpen, so dass sich der Wasserstoff und der Sauerstoff in der Kathodenseite kombinieren, um die Menge an Sauerstoff und somit das Potential, das eine Kohlenstoffkorrosion bewirkt, zu reduzieren. Die Kathodenstöchiometrie durch Kathodenzirkulation zu reduzieren schlägt auch die
WO 2007/044971 A1 vor.
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Es ist auch bekannt, die Kathodenluftströmung zu stoppen, während ein positiver anodenseitiger Wasserstoffdruck bei Abschaltung beibehalten wird, und dann eine Last an den Stapel anzulegen, um einen Verbrauch des Sauerstoffs durch Wasserstoff zu ermöglichen, gefolgt durch ein Schließen der Einlass- und Auslassventile der Anoden- und Kathodenseiten, wie in der in Gemeinschaftsbesitz befindlichen nicht vorläufigen U.S-Patentanmeldung
US 2008/0145716 A1 mit dem Titel „Method of Mitigating Fuel Cell Degradation Due to Startup and Shutdown Via Hydrogen/Nitrogen Storage“ beschrieben ist. Die Kathodenstöchiometrie dadurch zu reduzieren, dass verhindert wird, dass Sauerstoff in die Kathodenseite nachströmen kann, wird so auch in den Druckschriften
DE 10 2008 005 530 A1 und
US 2007/0154742 A1 beschrieben. Ferner schlägt die
US 2007/0122664 A1 vor, die Kathodenstöchiometrie durch Verändern der Stapellast auf einen Wert kleiner 1 zu reduzieren. Während es gezeigt worden ist, dass diese Techniken helfen, eine Korrosion des Kohlenstoffträgers zu mindern, können diese Techniken möglicherweise nicht den gesamten Sauerstoff insbesondere von den Volumen jenseits des Stapels entfernen oder die Komplexität eines Kathodenrückflusssystems beitragen. Daher besteht ein Bedarf in der Technik nach einer verbesserten oder vereinfachten Weise, zu verhindern, dass sauerstoffreiche Luft bei Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems vorhanden ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Erzeugen eines sauerstoffabgereicherten Gases in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel bei einer gewünschten Kathodenstöchiometrie bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems betrieben wird, um ein Kathodenabgas mit einem sauerstoffabgereicherten Gas zu verdrängen. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Kathodenströmungsventil geschlossen wird und ein Kompressor abgeschaltet wird, um die Strömung von Kathodenluft zu stoppen.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems; und
- 2 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform darstellt, die eine Sauerstoffabreicherungsvorgehensweise bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zum Abreichern von Sauerstoff in einem Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur.
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1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite aufweist. Ein Injektor 20 injiziert Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel 12 von einer Wasserstoffquelle 14 auf einer Anodeneingangsleitung 16. Der Injektor 20 kann ein beliebiger Injektor, Injektor/Ejektor oder eine Reihe aus Injektoren sein, die für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist/sind. Ein Anodenspülventil 22 ist an der Anodenseite des Stapels 12 vorgesehen, um die Anode mit frischem Wasserstoff zu spülen und ein sauerstoffabgereichertes Gas aufzunehmen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Blockierventil oder eine stationäre Rezirkulationspumpe verwendet werden, um den Rezirkulationspfad zu beschränken.
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Bei dieser Ausführungsform verwendet das Brennstoffzellensystem 10 eine Anodenrezirkulation, bei der ein Anodenrezirkulationsgas von dem Stapel 12 ausgegeben und zurück an den Anodeneingang durch eine Anodenrezirkulationsleitung 54 über den Injektor 20 rezirkuliert wird, um die Menge an Wasserstoffgas, die von dem Stapel 12 ausgetragen wird, zu reduzieren. Wasser wird von dem rezirkulierten Anodengas durch eine Wasserabscheidungsvorrichtung 56 entfernt, die in der Anodenrezirkulationsleitung 54 vorgesehen ist. Die Wasserabscheidungsvorrichtung 56 sammelt und hält Wasser auf eine Weise, die dem Fachmann in der Technik gut bekannt ist. Ein Ablass-/Ablaufventil 24 ist in einer Anodenabgasleitung 18 vorgesehen und wird auf Grundlage eines Plans, wie es dem Fachmann in der Technik gut bekannt ist, periodisch geöffnet, um Wasser von einem Haltetank innerhalb der Wasserabscheidungsvorrichtung 56 abzulassen, und auch periodisch geöffnet, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen. Bei einer alternativen Ausführungsform können ein separates Ablassventil und Ablaufventil verwendet werden.
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Ein Kompressor 30 liefert eine Luftströmung zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 32 durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit 34, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Eine Kathodenabgasleitung 40 lenkt das Kathodenabgas an die WVT-Einheit 34, um Feuchte zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Eine Umgehungs- bzw. Bypassleitung 36 ist um die WVT-Einheit 34 vorgesehen, und ein Bypassventil 38 ist in der Bypassleitung 36 vorgesehen und wird gesteuert, um die Kathodeneingangsluft selektiv durch oder um die WVT-Einheit 34 umzulenken, um die gewünschte Menge an Feuchte für die Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Alternativ dazu kann die Kathodenbypassleitung 36 um die WVT-Einheit 34 an der Kathodenabgasleitung 40 vorgesehen sein, obwohl dies bei dieser Ausführungsform nicht gezeigt ist. Eine Kathodenbypassleitung 46 ist vorgesehen, um die Kathodeneingangsleitung 32 mit der Kathodenabgasleitung 40 zu verbinden und zu ermöglichen, dass Luft von dem Kompressor 30 den Stapel 12 umgeht. Ein Kathodenbypassventil 48 ist vorgesehen, um die Menge an Luftströmung durch die Kathodenbypassleitung 46 selektiv zu steuern, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Alternativ dazu können ein Kompressorrezirkulationspfad und - ventil verwendet werden, um eine Luftströmung von dem Kompressorauslass zurück zu dem Kompressoreinlass zu rezirkulieren, wodurch ermöglicht wird, dass Sauerstoff in der Kathodeneingangsleitung 32 entfernt wird, was nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Eine Verbinderleitung 28 ist vorgesehen, um die Anodeneingangsleitung 16 mit der Kathodeneingangsleitung 32 zu verbinden, um Wasserstoff an die Kathodenseite des Stapels 12 durch selektives Steuern des Wasserstoffs zu einem Kathodenventil 58 bereitzustellen. Eine Anodenspülleitung 44 ist vorgesehen, um die Kathodeneingangsleitung 32 mit dem Anodenspülventil 22 zu verbinden, um einen Pfad für ein sauerstoffabgereichertes Gas zur Füllung der Anodenseite des Stapels 12 bereitzustellen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Ein Kathodeneingangsventil 26 ist an der Kathodeneingangsleitung 32 vorgesehen, um die Luftströmung in den Stapel 12 zu steuern, und ein Kathodengegendruck- bzw. -rückschlagventil 42 ist in der Kathodenabgasleitung 40 vorgesehen, um die Strömung von Kathodenabgas selektiv zu steuern, um den Druck in der Kathodenseite des Stapels 12 zu erhöhen und eine Diffusionsbeschränkung während der Abschaltzeit des Brennstoffzellensystems bereitzustellen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Eine variable Abschaltlast 50 ist elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 12 gekoppelt, um zu bewirken, dass Sauerstoff verbraucht wird, indem eine Last über den Stapel 12 bereitgestellt wird und bewirkt wird, dass die Spannung ein vorbestimmtes Niveau erreicht, wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Ein Controller 52 kann den Injektor 20, das Anodenspülventil 22, das Ablass-/Ablaufventil 24, den Kompressor 30, das Kathodeneingangsventil 26, das Kathodenrückschlagventil 42, das Kathodenbypassventil 48 und das Bypassventil 38 steuern. Der Controller 52 kann auch eine Berechnung oder Schätzung der Kathodenstöchiometrie und der Menge an sauerstoffabgereichertem Gas ausführen, das durch die Kathodenabgasleitung 40 gelangt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Wie oben diskutiert ist, besteht in der Technik ein Bedarf nach einer Entfernung von Sauerstoff in einem Brennstoffzellenstapel bei Abschaltung, um das Auftreten von Luft/Wasserstoff-Fronten während Stopp- und Startzyklen des Systems zu verhindern. 2 ist ein Flussdiagramm 60, das ein Verfahren zum Abreichern des Sauerstoffs in der Kathodenseite bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems 10 zu dem Zweck zeigt, das Auftreten von Luft/Wasserstoff-Fronten in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu verhindern. Dieses Verfahren startet bei Kasten 62, nachdem der Controller 52 bestimmt hat, dass das Brennstoffzellensystem 10 eine Abschaltung angefordert hat. Bei einer Ausführungsform kann der Controller 52 bestimmen, dass eine Abschaltung angefordert ist, wenn ein Fahrzeug oder das Brennstoffzellensystem 10, das Teil eines Fahrzeugs ist, abgeschaltet worden ist. Jedoch erkennt der Fachmann in der Technik leicht, dass eine Vielzahl von Auslösern angeben kann, dass das Brennstoffzellensystem 10 eine Abschaltung angefordert hat.
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Bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems 10 wird der Brennstoffzellenstapel 12 bei Kasten 64 abwärts zu einer niedrigen Kathodenstöchiometrie betrieben und der Druck an der Kathodenseite optional erhöht, um eine Erzeugung eines Volumens von sauerstoffabgereichertem Gas in dem Stapel 12 und der Kathodenabgasleitung 40 zu beginnen. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, ist die Stapelspannung eine Funktion der Kathodenstöchiometrie, wobei daher eine geringe Kathodenstöchiometrie durch Einstellen des Werts der variablen Abschaltlast 50 des Stapels 12 und/oder der Kathodenströmung durch Einstellen des Kathodenrückschlagventils 42, des Kathodenbypassventils 48 und des Kompressors 30 erreicht werden, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Sauerstoff wird abgereichert, wenn die Kathodenstöchiometrie gering ist, beispielsweise eine Kathodenstöchiometrie von etwa 1, da während einer geringen Kathodenstöchiometrie der tatsächliche Durchfluss der Luft oder des Sauerstoffs etwa gleich der Rate des Sauerstoffverbrauchs durch den Brennstoffzellenstapel 12 zur Erzeugung des gewünschten Stroms ist. Die optimale Kathodenstöchiometrie kann durch Überwachen der gesamten Stapelspannung und Einstellen der Last 50 oder Kathodenströmung zum Erreichen einer vorbestimmten Stapelspannung bestimmt werden, die mit einer geringen Kathodenstöchiometrie korreliert. Die gewünschte Stapelspannung zum Erreichen einer geringen Kathodenstöchiometrie variiert abhängig von dem verwendeten Brennstoffzellensystem und insbesondere der Anzahl von Zellen in dem Stapel. Bei einer Ausführungsform liefern etwa 50 V die gewünschte geringe Kathodenstöchiometrie, wenn der Luftdurchfluss durch Festsetzen der Drehzahl des Kompressors 30 und Einstellen des Werts der variablen Abschaltlast 50 des Stapels 12 und/oder durch Einstellen des Kathodenrückschlagventils 42 fixiert ist, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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Um ein Volumen an sauerstoffabgereichertem Gas zu erzeugen, wird bei Kasten 64 der Brennstoffzellenstapel 12 bei einer geringen Kathodenstöchiometrie betrieben und der Druck wird optional an der Kathodenseite erhöht, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Über das gesamte Verfahren, wie hier beschrieben ist, wird der Druck der Anodenreaktandenseite des Stapels relativ zu dem Druck in der Kathodenseite des Stapels 12 typischerweise hoch beibehalten. Dies wird gemacht, um sicherzustellen, dass die Luft nicht in die Anode strömt, wenn das Anodenablassventil 24 geöffnet ist, wie es dem Fachmann offensichtlich ist.
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Die Kathodenstöchiometrie kann langsam abgesenkt werden, um eine Situation zu vermeiden, bei der der Brennstoffzellenstapel 12 mehr Sauerstoff benötigt, als geliefert wird, d.h. ein unterstöchiometrischer Zustand. Die Kathodenstöchiometrie sollte nicht bei einem unterstöchiometrischen Zustand betrieben werden, da überschüssiger Wasserstoff in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 gepumpt wird. Insbesondere wird überschüssiger Wasserstoff in die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12, die eine Kathodenstöchiometrie unterhalb von 1 besitzen, aufgrund einer Luftströmungsfehlverteilung gepumpt, was bedeutet, dass weniger Luft in bestimmte Brennstoffzellen des Stapels 12 gepumpt wird. Wenn keine ausreichende Luftströmung für bestimmte Zellen in dem Stapel 12 bereitgestellt wird, existiert ein unterstöchiometrischer Zustand, und die Protonen und Elektronen, die durch den Stapelstrom angetrieben werden, haben nicht ausreichend Sauerstoff zur Reaktion, um Wasser in dieser Zelle zu erzeugen, so dass sie sich als Wasserstoffgas (das oben erwähnte Wasserstoffpumpen) rekombinieren, das durch die Kathodenabgasleitung 40 austritt. Überschüssiger Wasserstoff, der in dem Kathodenabgas 40 vorhanden ist, bewirkt ein Überschreiten von Wasserstoffemissionsbeschränkungen. Zusätzlich kann die anfängliche Abschaltlast 50 zu Beginn des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 12 abwärts zu einer geringen Kathodenstöchiometrie bei dem Kasten 64 höher als Durchschnitt sein, um so den adsorbierten Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 schneller zu entladen, um die Dauer des Sauerstoffabreicherungsprozesses zu verkürzen.
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Entweder die gemessene oder geschätzte Spannung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 oder die gemessenen oder geschätzten Wasserstoffemissionen können von dem Controller 52 verwendet werden, um die Kathodenstöchiometrie zu schätzen, während der Stapel 12 bei dem Kasten 64 abwärts zu einer geringen Kathodenstöchiometrie betrieben wird. Das Messen der Spannung des Stapels 12 ist typischerweise bevorzugt, da die Komponenten, die notwendig sind, in nahezu allen Brennstoffzellensystemen verfügbar sind. Das Betreiben des Brennstoffzellenstapels 12 bei einer geringen Kathodenstöchiometrie kann durch Verwenden der gemessenen oder geschätzten Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 als eine Rückkopplung zu dem Controller 52 erreicht werden, da die Stapelspannung die durchschnittliche Kathodenstöchiometrie des Stapels 12 angibt. Ein Luftströmungsmesser kann möglicherweise keine ausreichende Auflösung bei geringer Luftströmung bereitstellen, wobei daher ein Luftströmungsmesser in dem System nicht verfügbar sein braucht, um die Kathodenstöchiometrie fein abzustimmen, während der Stapel 12 hinunter zu einer geringen Kathodenstöchiometrie bei geringen Stromdichten betrieben wird. Luftströmungssignale von einem Strömungsmesser können Oszillationen aufweisen, wobei daher die Verwendung fixierter Kompressor- und Ventilanweisungssignale bevorzugt sein kann, um einen geregelten Sollwert der Luftströmung in diesem Modus zu übergehen.
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Wie oben diskutiert ist, kann die Kathodenstöchiometrie durch Änderung der Luftströmung, der Stapellast oder einer Kombination daraus eingestellt werden. Wenn eine fixierte Abschaltlast 50 verwendet wird und die Luftströmung durch Einstellen des Kathodeneingangsventils 26 und/oder des Kathodenrückschlagventils 42, des Kathodenbypassventils 48 und der Drehzahl des Kompressors 30 eingestellt wird, kann ein Strömungsmesser verwendet werden, um die Luftströmung von dem Kompressor 30 vor Fixieren der Position des Kathodeneingangsventils 26 und/oder des Kathodenrückschlagventils 42, des Kathodenbypassventils 48 und der Drehzahl des Kompressors 30 einzustellen. Beispielsweise kann die Drehzahl des Kompressors 30 erhöht werden und das Kathodenrückschlagventil 42 kann geringfügig geschlossen werden, um den Druck an der Kathodenseite des Stapels 12 zu erhöhen. Ein erhöhter kathodenseitiger Druck kann optional verwendet werden, um einen Rückfluss von sauerstoffabgereichertem Gas in die stromaufwärtigen Abschnitte der Kathode zu ermöglichen, nachdem der Kompressor abgeschaltet ist. Die Verwendung einer Anodendruckstrategie, die für den Abschaltprozess spezifisch ist, hilft auch, die Menge an Wasserstoff zu optimieren, die in der Kathode während einer Abschaltzeit resultiert, wie es dem Fachmann leicht offensichtlich ist. Zusätzlich kann der Stickstoffgehalt in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 während des Abschaltprozesses gesteuert werden, um den Wasserstoffpartialdruck zu optimieren.
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Die Kathodenstöchiometrie wird bei dem Kasten 64 durch Überwachen der Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 unter Verwendung des Controllers 52, der variablen Abschaltlast 50 und dem Einstellen des Kathodenrückschlagventils 42 reduziert, um die Spannung zu erreichen, die mit einer geringen Kathodenstöchiometrie korreliert, wie einer Kathodenstöchiometrie von 1. Wenn die Kathodenstöchiometrie unter 1 fällt, wird ein merklicher Abfall der Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 beobachtet, da, wie oben diskutiert ist, die Stapelspannung eine Angabe der Gesamtstöchiometrie des Brennstoffzellenstapels 12 ist. Die einzelnen Zellen können Information darüber bereitstellen, wie viele Zellen in einem überstöchiometrischen oder einem unterstöchiometrischen Zustand arbeiten, und der Controller 52 kann die Anzahl von Zellen, die in einem unterstöchiometrischen Zustand arbeiten, begrenzen, um die Möglichkeit eines Wasserstoffpumpens durch Einstellen des Kathodenrückschlagventils 42 demgemäß zu steuern, um die Kathodenstöchiometrie auf 1 zu erhöhen. Zusätzlich kann der Controller 52 die Anzahl von Zellen, die in einem überstöchiometrischen Zustand arbeiten, beschränken, um Überschusssauerstoffreste durch Einstellen des Kathodenrückschlagventils 42 dementsprechend zu steuern, um die Kathodenstöchiometrie auf 1 zu verringern.
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Wenn die Abschaltlast 50 verwendet wird, wird erfindungsgemäß ein Sekundärcontroller mit höherer Auflösung verwendet, um die Abschaltlast 50 fein abzustimmen, um eine Kathodenstöchiometrie von 1 zu erreichen. Entgegen der Erfindung kann auch ein Wasserstoffsensor in der Kathodenabgasleitung 40 verwendet werden, um das Niveau an Wasserstoff, das von dem Brennstoffzellensystem emittiert wird, zu bestimmen, und das Kathodenrückschlagventil 42 kann durch den Controller eingestellt werden, um das gewünschte Niveau an emittiertem Wasserstoff zu erreichen, das auch eine Kathodenstöchiometrie angeben kann. Da eine geringe Kathodenstöchiometrie möglicherweise nicht genau berechnet werden kann, kann eine Stapelkathodenstöchiometrie von 1 angenommen werden, wenn die Stapelspannung zu einem vorbestimmten Wert, wie 200 V, abnimmt. Andere Stapelspannungen können für den vorbestimmten Wert verwendet werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann eine geringe Wasserstoffströmung der Kathodeneingangsluft durch Öffnen des Wasserstoffs zu einem Kathodenventil 58 an der Verbinderleitung 28 hinzugefügt werden, um die Kathodenstöchiometrie des Brennstoffzellenstapels 12 durch Verbrauch kleiner Mengen an Sauerstoff fein zu steuern. Ein Wasserstoffzusatz zu der Kathode kann, wenn er gut gemischt ist, auch dazu verwendet werden, geringere Sauerstoffkonzentrationsniveaus in dem Kathodenabgas zu erreichen, wodurch die Variation in den Sauerstoffniveaus von Zelle zu Zelle in dem Brennstoffzellenstapel 12 durch Reduzierung der Variation der Sauerstoffkonzentration in der Kathodenströmung von Zelle zu Zelle beschränkt wird.
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Während der hier beschriebenen Abschaltvorgehensweise werden keine Antriebslasten verwendet. Daher können Zusatzlasten, einschließlich dem Kompressor 30 und Kühlmittelpumpen, Heizern und Batterieladung verwendet werden, um die Abschaltlast 50 während des Sauerstoffabreicherungsprozesses bereitzustellen. Beispielsweise kann der Stapel 12 mit einer Abschaltlast 50 versehen sein, die eine variierende Kühlmittelheizerlast mit einem Basisendzellenheizer und einer Kühlmittelpumpenlast aufweist.
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Da die Spannung des Brennstoffzellenstapels 12 während des Abreicherungsschritts beidem Kasten 64 geringer ist, kann die Spannung möglicherweise nicht angemessen sein, um Hochspannungskomponenten, wie den Kompressor 30, anzutreiben. Somit kann es erforderlich sein, dass der Brennstoffzellenstapel 12 bei höheren Spannungen beibehalten wird, die für den Kompressorbetrieb geeignet sind, oder der Kompressor 30 kann mit Spannung von einer Batterie beliefert werden. Da die Batteriebetriebsfähigkeit typischerweise für die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 10 erforderlich ist, ist eine Energieversorgung von einer Batterie typischerweise verfügbar. Zusätzlich können elektrische Architekturen, wie ein Aufwärtswandler, verfügbar sein, wodurch die niedrige Spannung des Brennstoffzellenstapels 12 während dieser Abschaltvorgehensweise einen Betrieb der Hochspannungskomponenten möglicherweise nicht verhindert, wie es dem Fachmann leicht offensichtlich ist.
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Durch Steuerung der Stapeldurchschnittsstöchiometrie abwärts zu einer geringen Kathodenstöchiometrie, die kein übermäßiges Wasserstoffpumpen in die Kathode zulässt, wird eine sauerstoffabgereicherte Luftmischung ohne eine übermäßige Menge an Wasserstoff in der Kathodenseite erzeugt. Wie oben festgelegt ist, ist bei dem Kasten 64 eine Reduzierung der Kathodenstöchiometrie auf etwa 1 erwünscht und kann durch Spannungsrückkopplung von der gemessenen Spannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 dadurch erreicht werden, dass das Kathodenrückschlagventil 42 und die Stapellast 50 eingestellt werden und die Drehzahl des Kompressors 30 konstant gehalten wird. Beispielsweise kann die Stapelspannungsbegrenzungssteuerung durch Änderung des Spannungssollwerts und der Verstärkungen für den Controller 52 modifiziert sein, der die Strombegrenzung auf Grundlage eines Fehlers zwischen dem Spannungssollwert und der tatsächlichen Stapelspannungsrückkopplung ausführt.
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Sobald die gewünschte Kathodenstöchiometrie erreicht ist, wird bei dem Kasten 66 der Sauerstoff in der Kathodenseite verdrängt. Wie oben diskutiert ist, wird Sauerstoff abgereichert, wenn die Kathodenstöchiometrie etwa 1 beträgt, da der tatsächliche Durchfluss der Luft oder des Sauerstoffs etwa gleich der Rate des Verbrauchs des Sauerstoffs oder der Luft durch den Brennstoffzellenstapel 12 ist. Durch Abreicherung des Sauerstoffs in der Kathodenseite des Stapels 12 mit arbeitendem Kompressor 30 wird ein sauerstoffabgereichertes Gas in dem Stapel erzeugt und strömt aus dem Stapel 12 und in die Kathodenabgasleitung 40. Durch dieses Verfahren wird ausreichend sauerstoffabgereichertes Gas erzeugt, um das Kathodenauslassvolumen zu verdrängen, einschließlich jegliche Bypassverrohrung, wie die Bypassverrohrung der WVT-Einheit, die Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 34 lenkt, obwohl es in der Ausführungsform von 1 nicht gezeigt ist, da die Bypassleitung 36 in der Kathodeneingangsleitung 22 vorgesehen ist. Die Zeitdauer, die notwendig ist, um den Sauerstoff in der Kathodenabgasleitung 40 zu verdrängen, variiert abhängig von dem verwendeten Brennstoffzellensystem 10, aber beträgt etwa das Kathodenauslassvolumen geteilt durch den Kathodenvolumendurchfluss. Ein Beispiel der Zeitdauer, die notwendig ist, beträgt mehrere Sekunden.
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An dem Ende der Erzeugung des sauerstoffabgereicherten Gases bei dem Kasten 66 wird bei Kasten 68 das Kathodenrückschlagventil 42 geschlossen. Das Schlie-ßen des Kathodenrückschlagventils 42 reduziert die Menge an Luft, die durch die Kathodenseite des Stapels 12 strömt. Jegliche Kathodenbypassventile in dem System 10, wie das Kathodenbypassventil 48 in der Kathodenbypassleitung 46, können während diesem Schritt geöffnet werden, um einen Druckstoß des Kompressorbetriebs oder eine Zunahme des Drucks zu verhindern, die ansonsten während der Zeitperiode auftreten kann, nachdem das Rückschlagventil geschlossen ist und bevor der Kompressor abgeschaltet ist. Wie es dem Fachmann leicht offensichtlich ist, wird, wenn der Kompressor 30 ein Verdrängungskompressor ist, ein Druckaufbau durch ein Druckentlastungsventil entlastet. Der Kompressor 30 wird bei dem Kasten 68 auch abgeschaltet und aufgrund des Abfalls der Kathodenluftströmung, die bei einem Abschalten des Kompressors auftritt, dehnt sich sauerstoffabgereichertes Gas in die Kathodeneingangsleitung 32 aus und verdrängt die sauerstoffhaltige Luft darin. Während dieser Stufe können auch Stapelhauptschütze geöffnet werden, um die Hochspannungsseite des Stapels zu isolieren.
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Wenn die WVT-Einheit 34 und die Bypassleitung 36 in dem Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen sind, kann sich das sauerstoffabgereicherte Gas durch die WVT-Einheit 34 durch Schließen des Bypassventils 38 wie auch durch sowohl die Kathodeneingangsleitung 32 als auch die Bypassleitung 36 durch teilweises Öffnen des Bypassleitungsventils 38 oder durch die WVT-Einheit 34 und dann die Bypassleitung 36 durch anfängliches Geschlossenhalten des Bypassventils 38 bei Abschalten des Kompressors 30, wobei dann das Bypassventil 38 geöffnet wird, ausdehnen. Zusätzlich wird das Kathodeneinlassventil 26 geschlossen, nachdem die Rückströmung von sauerstoffabgereichertem Gas sich ausreichend in die Kathodeneingangsleitung 32 ausgedehnt hat, und wird bei Kasten 70 ausgeführt, sobald sich der kathodenseitige Druck bei oder nahe Umgebung befindet. Jegliche verbleibende Luftströmung aufgrund des Herunterlaufens des Kompressors 30 kann um den Stapel 12 unter Verwendung der Kathodenbypassleitung 46 durch Öffnen des Kathodenbypassventils 48 oder durch Rezirkulation der Strömung durch den Kompressor 30 umgangen werden.
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Jeglicher verbleibende Sauerstoff in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 kann durch Anlegen der Abschaltlast 50 verbraucht werden. Alternativ dazu kann eine kleine Sauerstoffmenge in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zurückbleiben, um Wasserstoff zu verbrauchen, der wasserstoffgepumpt sein kann, wenn der Ablasswiderstand mit der Kathodenseite in Eingriff tritt oder diese kurzschließt, um sicherzustellen, dass die Menge an Wasserstoff in dem Kathodenabgas Wasserstoffemissionsbeschränkungen nicht überschreitet. Zusätzlich kann der Anodendruck bei Abschaltung dazu verwendet werden, sicherzustellen, dass die Menge an Wasserstoff in dem Kathodenabgas Wasserstoffemissionsbeschränkungen nicht überschreitet.
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Um die Menge an Luft, die in den Stapel 12 nach Abschaltung aufgrund von Gaskontraktion und Wasserdampfkondensation gezogen wird, zu beschränken, kann der Stapel 12 vor und während des Sauerstoffabreicherungsschritts bei dem Kasten 64 gekühlt werden. Ohne eine druckbeaufschlagte Abreicherung, gefolgt durch eine Rückströmung des sauerstoffabgereicherten Gases kann das sauerstoffabgereicherte Gas zurück in die stromaufwärtigen Volumen durch Schließen des Kathodeneinlassventils 26 und Kühlen des Stapels 12 zurückgezogen werden, um das sauerstoffabgereicherte Gas von dem Auslass in den Brennstoffzellenstapel 12 aufgrund von Gaskontraktion und Wasserdampfkondensation zu ziehen. Ferner kann ein letzter Wasserstoffzusatz bereitgestellt werden, nachdem der Brennstoffzellenstapel 12 gekühlt ist, um den verfügbaren Wasserstoff zu maximieren.
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Um zuverlässige Gefrierstarts zu erreichen, kann ein Verfahren zum Trocknen des Stapels 12, um überschüssiges Wasser in dem Stapel 12 zu beseitigen, gefolgt durch einen kurzen Hydrationsschritt enthalten sein, um eine Membranleitfähigkeit bei einem Neustart des Brennstoffzellensystems zu verbessern. Jedoch kann der Kathodenabreicherungsschritt den Rehydrationsschritt anpassen, der erforderlich ist, um zuverlässige Gefrierstarts sicherzustellen, da der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 bei einer Kathodenstöchiometrie von etwa 1 typischerweise ein feuchter Betrieb ist, d.h. ein Betrieb mit hoher relativer Feuchte. Alternativ dazu kann die WVT-Einheit 34 gesteuert werden, um eine gewünschte relative Feuchte zu erreichen, um eine angemessene Rehydration in dem Zeitrahmen bereitzustellen, der notwendig ist, um das sauerstoffabgereicherte Gas zu erzeugen.
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Wenn zu viel Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 bei Abschaltung belassen wird, kann dies zu Problemen bezüglich überschüssiger Wasserstoffemissionen bei Neustart des Brennstoffzellensystems 10 führen. Somit kann die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 mit sauerstoffabgereichertem Gas gespült werden, das bei erhöhtem Druck gemäß dem oben beschriebenen Verfahren erzeugt worden ist. Beispielsweise wird durch Öffnen des Anodenspülventils 22 in der Anodenspüleingangsleitung 44, Schließen der Wasserstoffströmung in die Anodeneingangsleitung 16 und Öffnen des Ablass/Ablaufventils 24 ein Strömungspfad erzeugt, um zu ermöglichen, dass das sauerstoffabgereicherte Gas aufwärts zu der Kathodeneinlassleitung 32 durch die Anodenspüleingangsleitung 44 und in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 durch das Anodenspülventil 22 strömen kann. Zusätzlich kann das Kathodeneinlassventil 26 bei Spülen der Anodenseite mit sauerstoffabgereichertem Gas geschlossen werden, um ein Entweichen des Hochdruckgases durch die Kathodeneingangsleitung 32 zu verhindern. Wenn eine Anodenrückführung vorgesehen ist, ist ein Rückführblockierventil oder eine Rückführpumpe (nicht gezeigt) notwendig, um das sauerstoffabgereicherte Gas durch den Stapel 12 zu treiben, anstatt einem Umgehen durch die Anodenrückführverrohrung. Dieses Rückführblockierventil oder diese Rückführblockierpumpe wird in der Anodenrezirkulationsleitung 54 zwischen dem Anodeneinlass des Stapels 12 und der Anodenabgasleitung 18 angeordnet und ist bevorzugt zwischen dem Injektor 20 (typischerweise einer strahlpumpenbetriebenen Rezirkulationsvorrichtung) und der Wasserabscheidungsvorrichtung 56 angeordnet. Sobald die Anodenseite mit dem sauerstoffabgereicherten Gas gefüllt worden ist, kann das Kathodeneinlassventil 26 geöffnet werden, um jeglichen verbleibenden Druck auszutragen und Luft in der Kathodeneinlassleitung 32 zu verdrängen, die sich stromaufwärts des Kathodeneinlassventils 26 befindet.
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Die Anodenspüleingangsleitung 44 kann auch eine Anodenspülung unter Verwendung des Anodenspülventils 22 zum Neustart bereitstellen, um sauerstoffabgereichertes Gas in der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen. Zusätzlich kann auch eine Verbinderleitung 28 verwendet werden, um Wasserstoff an die Kathodenseite während Gefrierstarts zu liefern. Für das Kathodeneinlassventil 26 kann ein Ventil mit besserer Qualität verwendet werden, als für das Rückschlagventil 42 verwendet wird, um eine bevorzugte Leckage an der Kathodenabgasleitung 40 zu unterstützen, an der sich ein größeres Volumen von sauerstoffabgereichertem Gas befindet.
