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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Optimierung einer Kathodenfüllstrategie für einen Brennstoffzellenstapel bei Systeminbetriebnahme und insbesondere ein Verfahren zur Bereitstellung der richtigen Menge an Kathodenluft für die Kathodenseite eines Brennstoffzellenstapels bei Systeminbetriebnahme, das ein Kathodenmodell der Wasserstoffkonzentration auf der Kathodenseite des Stapels verwendet.
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2. Beschreibung 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 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 den 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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Die Gaspermeationsrate für Membrane nach dem Stand der Technik in PEM-Brennstoffzellen ist im Vergleich zu dem durch die Brennstoffzelle zur Leistungserzeugung erzeugten Strom relativ gering. Wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, setzt sich die Gaspermeation durch die Membran so lange fort, bis sich die Partialdrücke der Gaskomponente auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen haben. Das Diffusionsvermögen von Wasserstoff durch die Membran von der Anode zu der Kathode beträgt ungefähr das Dreifache der Stickstoffrate von der Kathode zu der Anode. Höhere Wasserstoffdiffusionsraten gleichen sich im Vergleich zu einem relativ langsamen Ausgleich des Stickstoffpartialdrucks zu einem schnellen Ausgleich der Wasserstoffpartialdrücke aus. Der Unterschied der Gasdiffusionsvermögen bewirkt einen Abfall des Absolutdrucks des Anodensubsystems, bis der Kathodenwasserstoffpartialdruck den Anodenwasserstoffpartialdruck erreicht. Typischerweise wird die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bei einer hohen Wasserstoffkonzentration betrieben, wie größer als 60%, und außerhalb der Anode des Stapels sind große Volumen an wasserstoffreichem Gas vorhanden. Wenn der Anodenabsolutdruck abfällt, wird mehr Wasserstoff aus dem Anodensubsystem in das Anodenströmungsfeld des Stapels gezogen.
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Das Nettoergebnis des Wasserstoffpartialdruckausgleichs nach Systemabschaltung ist eine erhöhte Konzentration von Wasserstoff in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels, zumindest für eine gewisse Dauer nach Abschaltung. Bei Systeminbetriebnahme wird der Kompressor gestartet, jedoch muss die Konzentration von Wasserstoff, die den Brennstoffzellenstapel von der Kathode verlässt, so beschränkt werden, dass keine Emissionsanforderungen verletzt werden. Somit muss, wenn die Kathode der Brennstoffzelle mit frischer Luft gefüllt wird, das wasserstoffreiche Gas, das die Kathodenseite des Stapels verlässt, verdünnt werden. Um Startzeit- und Geräuschanforderungen zu erfüllen, besteht ein Bedarf, das Füllen der Stapelkathode zu optimieren. Da die Kathodenströmung durch die für den Kompressor verfügbare Leistung beschränkt ist, muss das Füllverfahren gegenüber Änderungen des Gesamtkompressordurchflusses robust sein.
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Bekannte Brennstoffzellensysteme verwenden typischerweise ein Umgehungs- bzw. Bypassventil, das ermöglicht, dass Kathodenluft den Brennstoffzellenstapel umgehen und von dem Kompressor direkt zu dem Systemauslass geführt werden kann. Inbetriebnahmestrategien können Mechanismen verwenden, um das Bypassventil zu öffnen, so dass eine beträchtliche Luftmenge nicht durch die Kathode des Brennstoffzellenstapels gelangt und an dem Stapelauslass verfügbar ist, um den Wasserstoff zu verdünnen, der durch die Kathodenseite des Stapels getrieben werden kann. Typischerweise sind diese Inbetriebnahmestrategien übermäßig konservativ gewesen, um die gewünschte Wasserstoffemissionskonzentration an einem beliebigen Punkt während der Inbetriebnahme nicht zu überschreiten. Da die tatsächliche Systeminbetriebnahme abwarten muss, bis die Wasserstoffemissionen verdünnt werden, bevor der Stapel gestartet wird, haben diese konservativen Inbetriebnahmestrategien die Zeitdauer erhöht, bis das System vor Zündung gestartet werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der Kathodenluftströmung zu einem Brennstoffzellenstapel bei Systeminbetriebnahme durch Steuerung eines Stapelbypassventils offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Konzentrationsgradient von Wasserstoff in einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems bestimmt wird. Das Verfahren umfasst auch, dass ein Volumendurchfluss durch einen Kompressor bestimmt wird, der Luft an die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems liefert, ein Volumendurchfluss durch die Kathode des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird und ein Anteil des Volumendurchflusses durch die Kathode zu der Gesamtströmung durch den Kompressor unter Verwendung des Volumendurchflusses durch den Kompressor und des Volumendurchflusses durch die Kathode bestimmt wird. Das Verfahren bestimmt eine modellierte Wasserstoffauslasskonzentration von dem Brennstoffzellenstapel auf Grundlage des Volumendurchflusses durch den Kompressor, des Anteils von Volumendurchfluss durch den Kompressor zu der Gesamtströmung durch den Kompressor und der Konzentration von die Kathode verlassendem Wasserstoff. Das Verfahren bestimmt einen gewünschten Anteil des Volumendurchflusses durch die Kathode zu der Gesamtströmung durch den Kompressor unter Verwendung einer gewünschten maximalen Systemauslassemission von Wasserstoff und der modellierten Wasserstoffauslasskonzentration der Kathode und verwendet dann den gewünschten Anteil des Volumendurchflusses durch die Kathode und die Gesamtströmung durch den Kompressor, um die Position des Bypassventils zu bestimmen.
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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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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Draufsicht eines Kathodensubsystems in einem Brennstoffzellensystem.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zur Steuerung der Kathodenströmung bei Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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Wie nachfolgend diskutiert ist, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung und Implementierung eines Kathodenmodells der Wasserstoffkonzentration vor, um die Kathodenströmung während der Systeminbetriebnahme zu steuern. Dieses Verfahren reduziert die Kathodeninbetriebnahmezeit des Brennstoffzellensystems, während Abgaswasserstoffemissionen innerhalb eines geringen Zielbereiches beibehalten werden.
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1 ist eine schematische Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Ein Kompressor 14 liefert Druckluft an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 16. Ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 18 ausgegeben. Ein Drucksensor 28 misst einen Umgebungsdruck in der Abgasleitung 18. Ein Bypassventil 20 ist in einer Bypassleitung 22 vorgesehen, die die Kathodeneingangsleitung 16 mit der Kathodenausgangsleitung 18 direkt verbindet, um den Stapel 12 zu umgehen. Somit bestimmt das selektive Steuern des Bypassventils 20, wie viel der Kathodenluft durch den Stapel 12 strömt und wie viel der Kathodenluft den Stapel 12 umgeht. Ein Kompressorströmungsmesser (CFM von engl.: ”compressor flow meter”) 24 ist in einer Eingangsleitung 26 zu dem Kompressor 14 vorgesehen und misst die Luftströmung durch den Kompressor 14. Ein Gaskonzentrationssensor 30 ist ebenfalls in der Kathodenabgasleitung 18 vorgesehen und anwendbar, um die Konzentration bestimmter Gase, wie Wasserstoff, die das System 10 verlassen, zu messen.
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Ein Injektor-Ejektor 32 injiziert Wasserstoffgas in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an einer Anodeneingangsleitung 34 von einer Wasserstoffquelle 36, wie einem Hochdrucktank. Das Anodengas, das von dem Brennstoffzellenstapel 12 ausgestoßen wird, wird zurück an den Injektor-Ejektor 32 auf einer Rezirkulationsleitung 38 rezirkuliert. Wie es in der Technik gut bekannt ist, ist es periodisch notwendig, das Anodenabgas abzulassen, um Stickstoff von der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen. Zu diesem Zweck ist ein Ablassventil 40 in einer Anodenabgasleitung 42 vorgesehen, wobei bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform das abgelassene Anodenabgas mit dem Kathodenabgas auf der Leitung 18 kombiniert wird, um Wasserstoff in dem Anodenabgas auf unterhalb brennbarer Grenzen zu verdünnen. Bei anderen Systemkonfigurationen kann die Leitung 42 mit der Kathodeneingangsleitung 16 gekoppelt sein, um eine katalytische Kathodenverbrennung bereitzustellen. Ein Drucksensor 44 ist in der Rezirkulationsleitung 38 vorgesehen und liefert eine Messung des Drucks in dem Anodensubsystem. Obwohl der Drucksensor 44 bei dieser Ausführungsform in der Rezirkulationsleitung 38 angeordnet ist, kann der Drucksensor 44 an einer beliebigen Position in dem Anodensubsystem vorgesehen sein, die geeignet ist, eine genaue Ablesung des Drucks zu nehmen.
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Das System 10 weist auch einen Stapelspannungsmessungsprozessor 46 auf, der Spannungssignale von einer oder mehreren der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 empfängt, um geeignete Spannungsmessungen bereitzustellen.
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Das Kathodensubsystem umfasst Bypass- und/oder Abgasventile, um eine Steuerung der Umgehung von Luft um den Brennstoffzellenstapel 12 zu ermöglichen. Die Steuerung der verschiedenen Ventile kann optimiert werden, um die maximale gewünschte Kathodenemission von Wasserstoff aufrechtzuerhalten, um die Kathodenseite des Stapels 12 in der minimalen Zeit, die mit einer spezifischen Luftströmung möglich ist, zu füllen. Da das Kathodensubsystem groß ist, ist die Konzentration von Wasserstoffgas in dem Kathodensubsystem nicht gleichförmig. Ferner setzt der Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 12 und verschiedenen Leitungen seine Minderung nach der letzten Systemabschaltung fort, so dass die Konzentration von Wasserstoffgas nicht nur abhängig von der Stelle variiert, sondern kontinuierlich über die Zeit reduziert wird.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration in dem Kathodensubsystem bei Systeminbetriebnahme vor, so dass die Kathodenluft nach Bedarf effektiv zur Strömung durch den Brennstoffzellenstapel 12 oder um den Brennstoffzellenstapel 12 herum auf der Umgehungsleitung 22 gesteuert werden kann, um die Wasserstoffemissionen zu steuern.
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Um die Konzentration von Wasserstoff, der das Kathodenabgas verlässt, zu optimieren, wird der Molanteil von Wasserstoff über das Kathodensubsystem bestimmt. Es ist möglich, dass diese Konzentration unter Verwendung eines Sensors oder durch Annäherung unter Verwendung eines Gaskonzentrationsmodells gemessen werden kann. Für die Sensortechnik können Messungen der Konzentration unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors durchgeführt werden, der ein akustischer Sensor sein kann, oder von anderen Sensoren abgeleitet werden. Zwei Verfahren, mit denen die Wasserstoffkonzentration abgeleitet werden kann, umfassen die Verwendung des gemessenen Druckabfalls über eine Mündung und die Bereitstellung von Stapelspannungsmessungen während einer Wasserstofffüllung der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12.
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Für das gemessene Druckabfallverfahren und für eine gegebene Mindungsgröße, durch die ein Gas strömt, ist der Druckabfall über die Windung eine Funktion der Zusammensetzung des Gases. Bei einem gegebenen Durchfluss ist der Druckabfall geringer, wenn das Gas Wasserstoff ist, im Vergleich dazu, wenn das Gas Luft, Sauerstoff oder Stickstoff ist. Für ein Gas mit einer Wasserstoffmischung ist der Druckabfall für einen spezifischen Moldurchfluss proportional zu der Wasserstoffkonzentration in dem Gemisch. Durch diese Art und Weise kann die Wasserstoffkonzentration in dem Gas bestimmt werden.
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Für das Stapelspannungsmessungsverfahren muss, wenn eine signifikante Stapelspannung gemessen wird, wie durch den Prozessor 46, wenn die Stapelanode mit Wasserstoff gefüllt ist, dann die Kathode einigen Sauerstoff enthalten. Wenn Sauerstoff an der Kathodenseite des Stapels 12 existiert, kann angenommen werden, dass der Partialdruck von Wasserstoff an der Kathodenseite ausreichend gering ist, um so die Kathodenfüllung aus Emissionsgründen nicht zu beschränken.
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Bei dem Verfahren zur Optimierung der Wasserstoffkonzentration unter Verwendung eines Gaskonzentrationsmodellverfahrens ist ein hochgenaues Modell oder eine hochgenaue Messung der Kathodenwasserstoffkonzentration erwünscht, um eine Systeminbetriebnahme zu minimieren. Die Kenntnis der Anodenwasserstoffkonzentration kann dazu verwendet werden, die Kathodenwasserstoffkonzentration zu modellieren. Eine feststehende Kalibrierung der positionsabhängigen Wasserstoffkonzentration in dem Kathodensubsystem kann anstelle des Modells verwendet werden.
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Sobald die kathodenseitige Wasserstoffkonzentration bestimmt worden ist, wird ein Ventilmodell für das Bypassventil 20 gebildet, um die Ventilposition genau vorherzusagen, die erforderlich ist, um eine gewünschte Strömungsteilung zwischen der Bypassleitung 22 und dem Kathodenströmungspfad durch den Stapel 12 zu erreichen. Bei gegebenem Abgaswasserstoffemissionsziel kann die gewünschte Strömungsteilung als eine Funktion der Kathodenströmung bestimmt werden.
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Eine beispielhafte Berechnung für das Verfahren zur Steuerung der Kathodenströmungsteilung ist wie folgt gegeben:
wobei k
bypass_valve_% den Prozentsatz darstellt, den das Bypassventil
20 entweder in linearen oder winkeligen Abmessungen offen ist, V .
compressor_mol/s der Volumendurchfluss von Luft durch den Kompressor
14 ist, V .
cathode_flow_mol/s der Volumendurchfluss von Luft durch die Kathodenseite des Stapels
12 ist und γ
cathode_flow_% der Anteil des Volumendurchflusses durch die Kathodenseite des Stapels
12 zu der Gesamtströmung durch den Kompressor ist.
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Ferner ist γmeasured_H₂_% die Stelle und Wasserstoffkonzentration in dem Kathodensubsystem, die experimentell bestimmt wird, wie: ystack_cathode_H₂_outlet_% = f(∫(V .compressor_mol/s·ycathode_flow_%)dt, ymeasured_H₂_%) (2) wobei γstack_cathode_H₂_outlet_% die modellierte Wasserstoffauslasskonzentration. ist.
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Wenn die gewünschten Kathodenauslassemissionen γ
H₂_Max_Outlet sind, kann die gewünschte γ
cathode_flow_% bestimmt werden als:
wobei γ
cathode_flow_% auf den Bereich von 42–100% beschränkt ist, γ
H₂_Max_Outlet die gewünschte maximale Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenauslass ist und γ
cathode_flow_% die gewünschte Kathodenteilung auf Grundlage der gewünschten γ
H₂_Max_Outlet ist.
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Unter Verwendung der Ergebnisse aus Gleichung (3) kann Gleichung (1) umgestellt werden, um die gewünschte Position kbypass_valve_% des Bypassventils 20 über die Zeit zu bestimmen, um den Kathodenauslasswasserstoffprozentsatz während der Kathodenfüllung zu steuern.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen leicht, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang. der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
