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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme. Genauer betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Unterstützung eines variablen Anodendurchflusses während einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere ist die Brennstoffzelle als eine potenzielle Alternative für eine herkömmliche Brennkraftmaschine, die in modernen Fahrzeugen verwendet ist, erkannt worden.
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Eine typische Brennstoffzelle ist als eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode weisen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin auf, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Lieferung von gasförmigen Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion fördern. Einzelne Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu erzeugen, die ausreichend ist, um ein Fahrzeug mit Leistung zu beaufschlagen.
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Während Perioden eines Nicht-Betriebs sammelt sich eine Menge an Luft in den Anoden des Brennstoffzellenstapels an. Bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels wird Wasserstoff an die Anoden geliefert. Der Wasserstoff tritt mit der Luft in Kontakt und erzeugt eine ”Wasserstoff-Luft-Front”, die über die Anoden gelangt. Es ist bekannt, dass die Wasserstoff-Luft-Front die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit verschlechtert. Insbesondere resultiert die Anwesenheit von sowohl Wasserstoff als auch Luft an der Anode in einem lokalen Kurzschluss zwischen einem Anteil der Anode, der Wasserstoff ausgesetzt ist, und einem Anteil der Anode, der Luft ausgesetzt ist. Der lokale Kurzschluss bewirkt eine Umkehr des Stromflusses und erhöht das Kathoden schnittstellenpotential, was in einer schnellen Korrosion der Brennstoffzellen-Kohlenstoffsubstrate und -Katalysatorträger resultiert. Es ist herausgefunden worden, dass die Rate der Kohlenstoffkorrosion proportional zu einer Zeitdauer, über die die Wasserstoff-Luft-Front existiert, und einer Größe der lokalen Spannung an der Wasserstoff-Luft-Front ist.
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Es ist in der Technik bekannt, die Anoden der angesammelten Luft mit Wasserstoff schnell zu spülen und die Zeitdauer zu minimieren, in der die Wasserstoff-Luft-Front an den Anoden existiert. Die Spülung ist oftmals so ausgelegt, dass sie die Anodeneinlasssammelleitung mit Wasserstoff im Wesentlichen und gleichmäßig füllt, ohne einen Überschuss von Wasserstoff von dem Brennstoffzellensystem auszutragen. Ein illustratives Spülverfahren ist offenbart in der ebenfalls anhängigen Anmeldung US 2008/0 311 437 A1 (Seriennr. 11/762,845) des Anmelders, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Typischerweise wird eine Zeitdauer, die zum Spülen der Anoden erforderlich ist, im Voraus und auf Grundlage des Volumens des Brennstoffzellenstapels und des Durchflusses des Wasserstoffs berechnet. Jedoch variiert die Menge an Luft, die sich an den Anoden angesammelt hat, mit verschiedenen Abschaltperioden und -bedingungen. Zusätzlich können Variationen des Drucks, Druckmessungen, Durchflüsse, Strömungssteuerung und Zusammensetzung der Gase an den Anoden nach Abschaltperioden stark variieren. Daher sind die Zeitdauer, die erforderlich ist, um die angesammelte Luft von den Anoden zu treiben, wie auch das Volumen und der Durchfluss des Wasserstoffs zum Spülen der Anoden allgemein nicht optimiert. Da der optimale Endpunkt der Spülung oftmals schwer vorherzusagen ist, sind in der Technik bekannte Systeme nicht in der Lage gewesen, die Anoden mit Wasserstoff zu spülen, ohne eine unerwünschte Menge an Wasserstoff an die Atmosphäre auszutragen.
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Zusätzlich haben bekannte Systeme auch während der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels einen Vollkurzschluss verwendet. Bei Vollkurzschlusssystemen wird beispielsweise eine Schaltung mit einem Kurzschlusswiderstand verwendet, um die lokale Spannung während der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels zu minimieren. Ein Widerstand gegenüber Kohlenstoffkorrosion während der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels wird dadurch optimiert. Damit das Vollkurzschlusssystem richtig arbeitet, muss jedoch jede Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen gleiche Mengen an Wasserstoff für die Dauer des Vollkurzschlusses aufweisen. Eine Brennstoffzelle, die einen Wasserstoffmangel aufweist, kann unerwünschte lokale ”heiße Punkte” bilden, wenn sie dem Vollkurzschluss ausgesetzt ist.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem und einem Verfahren, das eine schnelle und zuverlässige Inbetriebnahme bereitstellt. Es wäre erwünscht, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Unterstützung eines variablen Anodendurchflusses während einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems zu entwickeln, wobei das Brennstoffzellensystem und das Verfahren eine Anodenfüllzeit minimieren, während auch eine Schädigung des Brennstoffzellensystems auf Grundlage einer Inbetriebnahmevorgehensweise minimiert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind überraschend ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Unterstützung eines variablen Anodendurchflusses während einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems entdeckt worden, wobei das Brennstoffzellensystem und das Verfahren eine Anodenfüllzeit minimieren, während auch eine Schädigung des Brennstoffzellensystems auf Grundlage einer Inbetriebnahmevorgehensweise minimiert wird.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Anodenliefersammler und einen Anodenaustragssammler aufweist, eine Wasserstoffquelle, eine Anodeneinlassleitung zur Bereitstellung einer Fluidkommunikation zwischen der Wasserstoffquelle und dem Anodenliefersammler, eine Anodenaustragsleitung in Fluidkommunikation mit dem Anodenaustragssammler, einen Brennstoffinjektor und eine Strahlpumpe, die zwischen der Wasserstoffquelle und der Anodeneinlassleitung angeordnet sind, eine Rückführleitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem Anodenaustragssammler und dem Anodenliefersammler bereitstellt, einen Wasserabscheider, der zwischen der Anodenaustragsleitung und der Rückführleitung angeordnet und derart angepasst ist, um überschüssige Befeuchtung oder Produktwasser von dem von der Anodenaustragsleitung empfangenen Fluid zu entfernen, einen Sensor zum Messen eines den Brennstoffzellenstapel beeinflussenden Umgebungszustandes und/oder einer Charakteristik des Brennstoffzellenstapels, wobei der Sensor ein Sensorsignal erzeugt, das eine Messung des Sensors repräsentiert; und einen Prozessor zum Empfangen des Sensorsignals, zum Analysieren des Sensorsignals und zum Steuern des Brennstoffinjektors und der Strahlpumpe, um dadurch den Durchfluss eines in den Anodenliefersammler strömenden Fluides auf Grundlage des analysierten Sensorsignals zu steuern.
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Die Erfindung sieht auch Verfahren zur Steuerung eines Durchflusses eines Fluides in einem Brennstoffzellensystem vor.
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Ein Verfahren umfasst die Schritte, dass: ein Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen vorgesehen wird, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Anodenliefersammler und einen Anodenaustragssammler aufweist, ein den Brennstoffzellenstapel beeinträchtigender Umgebungszustand und/oder eine Charakteristik des Brennstoffzellenstapels gemessen werden; und ein Durchfluss eines Fluides, das in den Anodenliefersammler strömt, auf Grundlage einer Analyse des gemessenen Umgebungszustandes und/oder der gemessenen Charakteristik des Brennstoffzellenstapels gesteuert wird. Der Brennstoffzellenstapel umfasst ferner eine Anodeneinlassleitung zur Bereitstellung einer Fluidkommunikation zwischen einer Wasserstoffquelle und dem Anodenliefersammler, eine Anodenaustragsleitung in Fluidkommunikation mit dem Anodenaustragssammler, einen Brennstoffinjektor und eine Strahlpumpe, die zwischen der Wasserstoffquelle und der Anodeneinlassleitung angeordnet sind und zur Steuerung des Durchflusses des in den Anodenliefersammler strömenden Fluides angesteuert werden, eine Rückführleitung, die eine Fluidkommunikation zwischen dem Anodenaustragssammler und dem Anodenliefersammler bereitstellt, und einen Wasserabscheider, der zwischen der Anodenaustragsleitung und der Rückführleitung angeordnet und derart angepasst ist, um überschüssige Befeuchtung oder Produktwasser von dem von der Anodenaustragsleitung empfangenen Fluid zu entfernen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform unter Berücksichtigung der begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung eines in der Technik bekannten PEM-Brennstoffzellenstapels ist;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Brennstoffzellensystems ist, das keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 eine schematische Schnittdarstellung des Brennstoffzellensystems von 2 ist, die eine Stapelaustreibvorgehensweise zeigt; und
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung durchzuführen und zu verwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und somit ist die Reihenfolge der Schritte weder notwendig noch kritisch.
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1 zeigt einen PEM-Brennstoffzellenstapel 10 gemäß dem Stand der Technik. Der Einfachheit halber ist in 1 nur ein zwei Zellen umfassender Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) veranschaulicht und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst ein Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 12, 14, die durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 16 getrennt sind. Die MEAs 12, 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 18, 20 und einem Paar von unipolaren Endplatten 22, 24 aneinander gestapelt. Die Klemmplatten 18, 20 sind durch ein Dichtungselement oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch von den Endplatten 22, 24 isoliert. Die Arbeitsseite 26, 28 von jeder der unipolaren Endplatten 22, 24 wie auch die Arbeitsseiten 30, 32 der Bipolarplatte 16 umfassen eine Mehrzahl von Nuten oder Kanälen 34, 36, 38, 40, die derart angepasst sind, dass die Strömung eines Brennstoffs, wie Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, wie Sauerstoff, hindurch unterstützt wird. Nichtleitende Dichtungselemente 42, 44, 46, 48 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor. Gaspermeable Diffusionsmedien 50, 52, 54, 56, wie Kohlenstoff- oder Graphit-Diffusionspapiere, liegen im Wesentlichen an jeder einer Anodenseite und einer Kathodenseite der MEAs 12, 14 an. Die Endplatten 22, 24 sind jeweils benachbart den Diffusionsmedien 50, 56 angeordnet. Die Bipolarplatte 16 ist an der Anodenseite der MEA 12 benachbart dem Diffusionsmedium 52 und an der Kathodenseite der MEA 12 benachbart dem Diffusionsmedium 54 angeordnet.
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Wie gezeigt ist, umfassen jede der MEAs 12, 14, die Bipolarplatte 16, die Endplatten 22, 24 und die Dichtungselemente 42, 44, 46, 48 eine Kathodenlieferdurchbrechung 58, eine Kathodenaustragsdurchbrechung 60, eine Kühlmittellieferdurchbrechung 62 und eine Kühlmittelaustragsdurchbrechung 64, eine Anodenlieferdurchbrechung 66 als auch eine Anodenaustragsdurchbrechung 68. Eine Kathodenlieferung ist durch die Ausrichtung benachbarter Kathodenlieferdurchbrechungen 58 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Kathodenaustragssammler ist durch die Ausrichtung benachbarter Kathodenaustragsdurchbrechungen 60 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Kühlmittelliefersammler ist durch die Ausrichtung benachbarter Kühlmittellieferdurchbrechungen 62 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Kühlmittelaustragssammler ist durch die Ausrichtung benachbarter Kühlmittelaustragsdurchbrechungen 64 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Anodenliefersammler ist durch die Ausrichtung benachbarter Anodenlieferdurchbrechungen 66 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind. Ein Anodenaustragssammler ist durch die Ausrichtung benachbarter Anodenaustragsdurchbrechungen 68 gebildet, die in den MEAs 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 gebildet sind.
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Ein Wasserstoffgas wird an den Brennstoffzellenstapel 10 durch den Anodenliefersammler über eine Anodeneinlassleitung 70 geliefert. Ein Oxidationsmittelgas wird an den Brennstoffzellenstapel 10 durch den Kathodenliefersammler des Brennstoffzellenstapels 10 über eine Kathodeneinlassleitung 72 geliefert. Es sind eine Anodenauslassleitung 74 und eine Kathodenauslassleitung 76 für den Anodenaustragssammler bzw. den Kathodenaustragssammler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 78 und eine Kühlmittelauslassleitung 80 stehen in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelliefersammler und dem Kühlmittelaustragssammler, um eine Strömung eines flüssigen Kühlmittels hindurch bereitzustellen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 70, 72, 78 und Auslässe 74, 76, 80 in 1 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen gewählt sein können.
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2 zeigt eine Anodenseite eines Brennstoffzellensystems 100, das keine Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 112 auf. Jede der Brennstoffzellen 112 besitzt eine Anode (nicht gezeigt) und eine Kathode (nicht gezeigt) mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran (nicht gezeigt). Der Brennstoffzellenstapel 110 weist ferner ein erstes Ende 114 und ein zweites Ende 116 auf. Wie hier beschrieben ist, ist das erste Ende 114 als das ”trockene Ende” bekannt, und das zweite Ende 116 ist als das ”feuchte Ende” bekannt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Anodenliefersammler 118, einen Anodenaustragssammler 120, eine Mehrzahl von Sensoren 122, 124, 126, eine Widerstandsvorrichtung 128 und einen Prozessor 130. Es sei zu verstehen, dass zusätzliche Komponenten und Systeme in dem Brennstoffzellensystem 100 enthalten sein können, wie beispielsweise ein Rückführ-Subsystem.
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Der Anodenliefersammler 118 steht in Kommunikation mit den Anoden der Brennstoffzellen 112 und stellt eine Fluidkommunikation zwischen einer Wasserstoffquelle 132 und den Brennstoffzellen 112 bereit. Es sei zu verstehen, dass andere Fluidquellen verwendet werden können, wie beispielsweise Stickstoff und Luft. Wie gezeigt ist, nimmt der Anodenliefersammler 118 eine Strömung von gasförmigem Wasserstoff durch eine Anodeneinlassleitung 134 von der Wasserstoffquelle 132 auf. Die Anodeneinlassleitung 134 definiert ein Volumen zwischen der Wasserstoffquelle 132 und dem Anodenliefersammler 118. Es sei zu verstehen, dass die Anodeneinlassleitung 134 eine beliebige gewünschte Querschnittsfläche aufweisen kann und ferner beispielsweise eine Kammer enthalten kann. Wie gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem 100 ein erstes Ventil 136, das auch als ein Spülventil bekannt ist, in Fluidkommunikation mit dem Anodenliefersammler 118 auf. Das erste Ventil 136 ist an dem ersten Ende 114 des Brennstoffzellenstapels 110 beabstandet von der Anodeneinlassleitung 134 angeordnet. Das erste Ventil 136 weist einen Einlass 138 zum Aufnehmen einer Fluidströmung und einen Auslass 140 zum Austragen eines Fluides auf, wenn sich das erste Ventil 136 in einer offenen Position befindet.
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Der Anodenaustragssammler 120 des Brennstoffzellensystems 100 stellt eine Fluidkommunikation zwischen den Anoden der Mehrzahl von Brennstoffzellen 112 und einem Austragssystem 142 bereit. Der Anodenaustragssammler 120 empfängt das durch die Anoden der Brennstoffzellen 112 strömende Fluid. Das Fluid, das durch die Anoden getrieben wird, kann gasförmiger Wasserstoff, Luft oder Wasser sein. Ein zweites Ventil 144 steht in Fluidkommunikation mit dem Anodenaustragssammler 120 und ist an dem zweiten Ende 116 des Brennstoffzellenstapels 110 angeordnet. Das zweite Ventil 144 unterstützt ein Spülen oder Austreiben eines Fluides von dem Anodenaustragssammler 120. Es sei zu verstehen, dass das zweite Ventil 144 gegebenenfalls an dem ersten Ende 114 des Brennstoffzellenstapels 110 angeordnet sein kann. Es sei ferner zu verstehen, dass beispielsweise das zweite Ventil 144 Fluid an einen Kathodeneinlass (nicht gezeigt) austreiben kann. Genauer weist das zweite Ventil 144 einen Einlass 146 zum Aufnehmen einer Fluidströmung und einen Auslass 148 zum Austragen eines Fluides auf, wenn sich das zweite Ventil 144 in einer offenen Position befindet.
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Die Sensoren 122, 124, 126 sehen ein Mittel zum Messen von Charakteristiken des Brennstoffzellensystems 100 und einer Umgebung vor. Genauer ist zumindest einer der Sensoren 122, 124, 126 derart angepasst, dass er eine Spannung über zumindest eine der Brennstoffzellen 112 misst. Ein anderer der Sensoren 122, 124, 126 ist derart angepasst, dass er eine Charakteristik des in den Anodenliefersammler 118 strömenden Fluides beispielsweise als ein kumulatives Volumen des Fluides misst. Ein anderer der Sensoren 122, 124, 126 ist derart angepasst, dass er eine den Brennstoffzellenstapel 110 beeinträchtigende Umgebungscharakteristik misst. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Umgebungscharakteristik eine Temperatur, eine Zeitperiode, eine Zusammensetzung eines durch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 110 strömenden Fluides, ein Alter des Brennstoffzellenstapels 110 oder ein Druckniveau an verschiedenen Punkten in dem Brennstoffzellensystem 100. Es sei zu verstehen, dass andere Charakteristiken und Systemparameter gemessen werden können, wie beispielsweise ein Strom, der durch eine widerstandsbehaftete (ohmsche) Vorrichtung 128 fließt. Es sei ferner zu verstehen, dass jeder der Sensoren 122, 124, 126 derart angepasst ist, dass er ein Sensorsignal an den Prozessor 130 überträgt, wobei das Sensorsignal die Messdaten eines zugeordneten der Sensoren 122, 124, 126 repräsentiert.
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Die Widerstandsvorrichtung 128 steht in elektrischer Kommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 110. Die Widerstandsvorrichtung 128 kann einstellbar sein, um eine gewünschte Widerstandslast an dem Brennstoffzellenstapel 110 anzulegen. Jedoch sei dem Fachmann verständlich, dass nach Bedarf andere geeignete Widerstandslasten verwendet werden können. Beispielhaft ist die Widerstandsvorrichtung 128 derart angepasst, dass sie eine Widerstandslast an dem Brennstoffzellenstapel 110 während der Inbetriebnahme anlegt, wodurch das Zellenpotential begrenzt und einer Brennstoffzellenschädigung, die durch Kohlenkorrosion bewirkt wird, entgegengewirkt wird. Als ein nicht beschränkendes Beispiel ist die Widerstandsvorrichtung 128 mit einer Mehrzahl von Anschlüssen (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 110 gekoppelt, wobei die Widerstandsvorrichtung 128 derart angepasst ist, dass sie den Brennstoffzellenstapel 110 nach Bedarf kurzschließt.
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Der gezeigte Prozessor 130 steht in Fluidkommunikation mit den Sensoren 122, 124, 126, der Wasserstoffquelle 132, dem ersten Ventil 136 und dem zweiten Ventil 144. Somit ist der Prozessor 130 derart angepasst, dass er jedes der Sensorsignale, die von den Sensoren 122, 124, 126 übertragen werden, empfängt, die Sensorsignale analysiert und einen Durchfluss eines in den Anodenliefersammler 118 strömenden Fluides in Ansprechen auf die Analyse der Sensorsignale steuert. Es sei zu verstehen, dass der Prozessor 130 einen Durchfluss eines in den Anodenliefersammler 118 strömenden Fluides durch Steuerung einer offenen/geschlossenen Position der Ventile 136, 144 steuern kann. Es sei ferner zu verstehen, dass der Prozessor 130 eine Strömung von Fluid von der Wasserstoffquelle 132 beispielsweise durch Regulieren eines Injektors direkt steuern kann.
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Wie gezeigt ist, analysiert und bewertet der Prozessor 130 die Sensorsignale auf Grundlage eines Anweisungssatzes 150. Der Anweisungssatz 150, der in einem beliebigen computerlesbaren Medium enthalten sein kann, umfasst Algorithmen, Formeln und prozessorausführbare Anweisungen zur Konfiguration des Prozessors 130, um eine Mehrzahl von Aufgaben auszuführen. Es sei zu verstehen, dass der Prozessor 130 eine Mehrzahl von Funktionen ausführen kann, wie die Steuerung der Funktionen der Sensoren 122, 124, 126.
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Beispielhaft kann der Prozessor 130 eine Speichervorrichtung 152 aufweisen. Die Speichervorrichtung 152 kann eine einzelne Speichervorrichtung sein oder kann mehrere Speichervorrichtungen umfassen. Ferner kann die Speichervorrichtung 152 ein Festzustands-Speichersystem, ein magnetisches Speichersystem, ein optisches Speichersystem oder ein beliebiges anderes geeignetes Speichersystem oder eine beliebige andere geeignete Speichervorrichtung sein. Es sei zu verstehen, dass die Speichervorrichtung 152 zur Speicherung des Anweisungssatzes 150 angepasst ist. Nach Bedarf können andere Daten und Information in der Speichervorrichtung 152 gespeichert werden.
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Der Prozessor 130 kann ferner eine programmierbare Komponente 154 aufweisen. Es sei zu verstehen, dass die programmierbare Komponente 154 in Kommunikation mit einer beliebigen anderen Komponente des Brennstoffzellensystems 100 stehen kann, wie beispielsweise den Sensoren 122, 124, 126. Beispielhaft ist die programmierbare Komponente 154 derart angepasst, dass sie die Verarbeitungsfunktionen des Prozessors 130 reguliert und steuert. Genauer ist die programmierbare Komponente 154 derart angepasst, dass sie die Analyse der Sensorsignale steuert. Es sei zu verstehen, dass die programmierbare Komponente 154 derart angepasst sein kann, dass sie Daten und Information an der Speichervorrichtung 152 speichert und Daten und Informationen von der Speichervorrichtung 152 rückgewinnt.
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Im Gebrauch wird gasförmiger Wasserstoff an den Anodenliefersammler 118 geliefert, was zur Folge hat, dass der Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Anodenabschnitte von jeder der Brennstoffzellen 112 strömt, wie in 3 gezeigt ist. Da Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 strömt, wird Luft von den Brennstoffzellen 112 und dem Anodenaustragssammler 120 durch das zweite Ventil 144 gespült (als eine Anodenfüll- oder Stapelaustreibvorgehensweise bezeichnet).
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Beispielhaft kann die Stapelaustreibvorgehensweise nach einer Sammelleitungsspülvorgehensweise ausgeführt werden. Während der Sammelleitungsspülvorgehensweise sind das erste Ventil 136 und das zweite Ventil 144 geschlossen, und gasförmiger Wasserstoff wird zur Strömung von der Wasserstoffquelle 132 in die Anodeneinlassleitung 134 veranlasst, ohne dass eine wesentliche Menge an gasförmigem Wasserstoff in den Anodenliefersammler 118 strömt. Da die Ventile 136, 144 geschlossen sind, bewirkt eine Strömung von Wasserstoff in die Anodeneinlassleitung 134, dass die Inhalte des Anodenliefersammlers 118, typischerweise Luft, in den aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels 110 strömen. Während eines Druckaufbauschritts wird der Fluiddruck in dem Brennstoffzellenstapel 110 durch Fortsetzen eines Einführens von Wasserstoff in die Anodeneinlassleitung 134 erhöht. Sobald ein gewünschter Druck in dem Brennstoffzellenstapel 110 erreicht ist, wird das erste Ventil 136 geöffnet, und der gasförmige Wasserstoff strömt in und durch den Anodenliefersammler 118. Da die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 in dem Brennstoffzellenstapel 110 mit Druck beaufschlagt sind, wird der gasförmige Wasserstoff zur Strömung durch den Anodenliefersammler 118 und zu dem ersten Ventil 136 veranlasst, jedoch keine Strömung in die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 zugelassen. Sobald der gasförmige Wasserstoff den Anodenliefersammler 118 im Wesentlichen gefüllt hat, wird das erste Ventil 136 geschlossen. Anschließend wird das zweite Ventil 144 geöffnet, und der gasförmige Wasserstoff wird kontinuierlich an den Anodenliefersammler 118 geliefert, was zur Folge hat, dass Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Anodenabschnitte von jeder der Brennstoffzellen 112 strömt.
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Es sei zu verstehen, dass der Durchfluss von Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 maximiert werden kann, um die Zeitdauer zu minimieren, in der Wasserstoff-Luft-Fronten in dem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels vorhanden sind, und um die Inbetriebnahmezeit zu minimieren. Genauer sind günstige Ergebnisse erreicht worden, wenn ein Wasserstoffdurchfluss maximiert ist und eine Spannung über die Brennstoffzellen 112 minimiert ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel wird zum Erreichen einer niedrigen anfänglichen Spannung über die Brennstoffzellen 112 für eine Standard-Inbetriebnahmevorgehensweise eine Wasserstoffinjektion in den Anodenliefersammler 118 gemäß zumindest einem des Folgenden geplant: einem Gesamtvolumen an Wasserstoff, der in das Anodensubsystem injiziert wird (analog zu der Stelle der Wasserstoff/Luft-Front); einer gemessenen Zellenspannung, einer verstrichenen Zeit und Umweltfaktoren.
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Genauer misst jeder der Sensoren 122, 124, 126 Charakteristiken und Niveaus an verschiedenen Positionen in dem Brennstoffzellensystem 100. Jeder der Sensoren 122, 124, 126 überträgt das die gemessenen Daten und Information repräsentierende Sensorsignal an den Prozessor 130. Nach Empfang analysiert der Prozessor 130 die Daten und Information, die durch jede der Sensorsignale repräsentiert sind, und steuert den Durchfluss des Wasserstoffgases, das in die Anodeneinlassleitung 134 strömt. Es sei zu verstehen, dass der Prozessor 130 den Durchfluss des Wasserstoffgases direkt durch Regulieren eines Injektors oder einer Liefersteuervorrichtung steuern kann. Es sei ferner zu verstehen, dass der Prozessor 130 den Durchfluss des Wasserstoffgases durch Regulieren der Offen-/Geschlossen-Position der Ventile 136, 144 steuern kann.
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Als ein nicht beschränkendes Beispiel wird, wenn Wasserstoffgas in die Anodeneinlassleitung 134 strömt, das Gesamtvolumen des Wasserstoffgases, das injiziert wird, durch zumindest einen der Sensoren 122, 124, 126 gemessen, und der Prozessor 130 schätzt die Stelle einer Wasserstoff/Luft-Front aufgrund des gemessenen Volumens. Demgemäß wird der Injektionsdurchfluss modifiziert, wenn die Wasserstoff/Luft-Front eine vorbestimmte Stelle (beispielsweise ein Ende der Brennstoffzellen 112) erreicht.
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Als ein weiteres Beispiel steigt, wenn das Wasserstoffgas in die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 12 strömt, ein Bereich von Zellenspannungen (zwischen einer minimalen Zellenspannung und einer maximalen Zellenspannung), bis die Brennstoffzellen 112 überschüssigen Wasserstoff besitzen. Somit misst zumindest einer der Sensoren 122, 124, 126 eine Spannung über zumindest eine der Brennstoffzellen 112, und der Prozessor 130 regelt den Wasserstoffinjektionsdurchfluss in Ansprechen auf die gemessene Spannung. Beispielhaft bleibt der Wasserstoffinjektionsdurchfluss konstant, bis eine Spannungsspitze detektiert ist. Anschließend wird der Durchfluss modifiziert.
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Als ein noch weiteres Beispiel stellt, wenn Wasserstoff in die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 strömt, ein elektrischer Strom, der von dem Brennstoffzellenstapel 110 an die Widerstandslast geliefert wird, eine Funktion eines Oxidationszustandes der Anoden- und der Kathodenelektroden dar. Da die Anode mit Wasserstoff gefüllt ist, nimmt die Anodenstromführungsfähigkeit über die Anodenfüllung zu. Aufgrund eines Mangels von frischer Luft, die an die Kathode geliefert wird, nimmt die Fähigkeit der Kathode zur Erzeugung von Strom über die Inbetriebnahme hinweg ab. Die während der Inbetriebnahme gemessene Spitze des Stapelstroms gibt, wenn sie bezüglich des Konzentrationszellenstromes korrigiert ist, das Ende einer Anodenverarmung und den Beginn einer Kathodenverarmung an. Der Wasserstoffinjektionsdurchfluss bleibt solange konstant, bis die Stromspitze detektiert ist, die dann modifiziert wird.
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4 zeigt eine Anodenseite eines Brennstoffzellensystems 100' gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Brennstoffzellensystem 100 von 2, mit Ausnahme, wie nachfolgend beschrieben ist. Ein aus der Beschreibung von 2 wiederholter Aufbau umfasst dieselben Bezugszeichen. Variationen des in 2 gezeigten Aufbaus umfassen dieselben Bezugszeichen und ein Strichindex-(')-Symbol. Wie in 4 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem 100 ferner einen Brennstoffinjektor 156, eine Strahlpumpe 158 und einen Rückführkreislauf 160 auf. Es sei zu verstehen, dass nach Bedarf zusätzliche Komponenten und Systeme in dem Brennstoffzellensystem 100' enthalten sein können.
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Der Brennstoffinjektor 156 und die Strahlpumpe 158 sind zwischen der Wasserstoffquelle 132 und der Anodeneinlassleitung 134' angeordnet. Der Injektor 156 und die Strahlpumpe 158 sehen eine Steuerung über die Strömung von Wasserstoff in die Anodeneinlassleitung 134' vor. Es sei zu verstehen, dass zusätzliche Komponenten in Kommunikation mit der Wasserstoffquelle 132 und der Anodeneinlassleitung 134' stehen können, wie beispielsweise ein Druckregler und eine Rezirkulations- bzw. Umwälzpumpe. Nach Bedarf können andere Komponenten oder Systeme in Kommunikation mit der Anodeneinlassleitung 134' stehen.
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Der Anodenaustragssammler 120 des Brennstoffzellensystems 100' sieht eine Fluidkommunikation zwischen den Anoden der Brennstoffzellen 112 und dem Austragssystem 142 und/oder dem Rückführkreislauf 160 vor. Der Anodenaustragssammler 120 nimmt ein durch die Anoden der Brennstoffzellen 112 strömendes Fluid auf. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann das durch die Anoden getriebene Fluid gasförmiger Wasserstoff, Luft oder Wasser sein. Nach Bedarf können andere Fluide verwendet werden. Bei der gezeigten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem 100' eine Anodenaustragsleitung 162 in Fluidkommunikation mit dem Anodenaustragssammler 120 auf. Die Anodenaustragsleitung 162 definiert ein Volumen zwischen dem Anodenaustragssammler 120 und dem Austragssystem 142 und/oder dem Rückführungskreislauf 160. Es sei zu verstehen, dass die Anodenaustragsleitung 162 eine beliebige gewünschte Querschnittsfläche besitzen kann und ferner beispielsweise eine Kammer aufweisen kann.
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Die Rückführschleife 160 sieht eine Fluidkommunikation zwischen dem Anodenaustragssammler 120 und dem Anodenliefersammler 118 vor. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Rückführschleife 160 zumindest einen Anteil der Anodeneinlassleitung 134', zumindest einen Anteil der Anodenaustragsleitung 162, eine Rückführleitung 164 und einen Wasserabscheider 166 auf. Jedoch sei zu verstehen, dass nach Bedarf andere Komponenten enthalten sein können.
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Die Rückführleitung 164 definiert ein Volumen zwischen der Anodeneinlassleitung 134 und der Anodenaustragsleitung 162. Es sei zu verstehen, dass die Rückführleitung 164 eine beliebige gewünschte Querschnittsfläche besitzen kann und ferner beispielsweise eine Kammer aufweisen kann. Bei der gezeigten Ausführungsform steht die Rückführleitung 164 in Fluidkommunikation mit dem Wasserabscheider 166 und der Strahlpumpe 158. Es sei zu verstehen, dass die Rückführleitung 164 in direkter Kommunikation mit der Anodeneinlassleitung 134', dem Anodenliefersammler 118, dem Anodenaustragssammler 120 und/oder der Anodenaustragsleitung 162 stehen kann. Es sei ferner zu verstehen, dass nach Bedarf andere Komponenten oder Systeme zwischen der Rückführleitung 164 und der Anodeneinlassleitung 134', dem Anodenliefersammler 118, dem Anodenaustragssammler 120 und/oder der Anodenaustragsleitung 162 angeordnet sein können.
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Der Wasserabscheider 166 ist zwischen der Anodenaustragsleitung 162 und der Rückführleitung 164 angeordnet und derart angepasst, um überschüssige Befeuchtung oder Produktwasser von dem von der Anodenaustragsleitung 162 empfangenen Fluid zu entfernen. Demgemäß steht der Wasserabscheider 166 in Fluidkommunikation mit dem zweiten Ventil 144. Das zweite Ventil 144 erlaubt ein Ablassen oder Ablaufen des Produktwassers, das sich in dem Wasserabscheider 144 angesammelt hat. Wie gezeigt ist, steht das zweite Ventil 144 ferner in Fluidkommunikation mit dem Austragssystem 142 und ist angepasst, um das Produktwasser in das Austragssystem 142 abzulassen. Es sei jedoch zu verstehen, dass das zweite Ventil 144 das Produktwasser nach Bedarf in ein beliebiges System oder eine beliebige Vorrichtung ablassen kann. Es sei ferner zu verstehen, dass nach Bedarf zusätzliche Ventile und Steuervorrichtungen enthalten sein können.
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Im Gebrauch wird gasförmiger Wasserstoff an den Anodenliefersammler 118 geliefert, wodurch bewirkt wird, dass Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Anodenabschnitte von jeder der Brennstoffzellen 112 strömt. Wenn Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 strömt, wird Luft von den Brennstoffzellen 112 und dem Anodenaustragssammler 120 durch das zweite Ventil 144 gespült (als eine Anodenfüll- oder Stapelaustreibvorgehensweise bezeichnet). Es sei zu verstehen, dass der Durchfluss von Wasserstoff durch die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen maximiert sein kann, um die Zeit zu minimieren, in der Wasserstoff-Luft-Fronten in dem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels 110 vorhanden sind. Genauer sind günstige Ergebnisse erreicht worden, wenn ein Wasserstoffdurchfluss maximiert ist und eine Spannung über die Brennstoffzellen 112 so niedrig wie möglich beibehalten wird.
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Als ein nicht beschränkendes Beispiel wird, um eine geringe Anfangsspannung über die Brennstoffzellen 112 für eine Standard-Inbetriebnahmevorgehensweise zu erreichen, eine Wasserstoffinjektion in den Anodenliefersammler 118 gemäß zumindest einem des Folgenden geplant: einem Gesamtvolumen von Wasserstoff, der in das Anodensubsystem injiziert wird (analog zu der Stelle der Wasserstoff/Luft-Front); eine gemessene Zellenspannung, eine verstrichene Zeit und Umweltfaktoren.
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Genauer misst jeder der Sensoren 122, 124, 126 Charakteristiken und Niveaus an verschiedenen Positionen in dem Brennstoffzellensystem 100. Jeder der Sensoren 122, 124, 126 überträgt das Sensorsignal, das die gemessenen Daten und Information repräsentiert, an den Prozessor 130. Nach Empfang analysiert der Prozessor 130 die Daten und Information, die durch jedes der Sensorsignale repräsentiert sind, und steuert den Durchfluss des Wasserstoffgases, das in die Anodeneinlassleitung 134 strömt. Es sei zu verstehen, dass der Prozessor 130 den Durchfluss des Wasserstoffgases durch Regulieren des Brennstoffinjektors 156 direkt steuern kann. Es sei ferner zu verstehen, dass der Prozessor 130 den Durchfluss des Wasserstoffgases durch Regulierung der Offen-/Geschlossen-Position der Ventile 136, 144 steuern kann.
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Demgemäß sehen das Brennstoffzellensystem 100, 100' und das Verfahren für variablen Anodendurchfluss während einer Inbetriebnahmevorgehensweise des Brennstoffzellensystems eine Basis zur Abstimmung und Modifikation der Brennstoffzelleninbetriebnahme vor, um den Wirkungsgrad, die Haltbarkeit wie auch die Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems 100, 100' von einem Beginn der Lebensdauer bis zu einem Ende der Lebensdauer zu maximieren. Genauer minimieren das Brennstoffzellensystem 100, 100' und das Verfahren eine Anodenfüllzeit, während auch eine Schädigung des Brennstoffzellensystems auf Grundlage einer Inbetriebnahmevorgehensweise minimiert ist.
