DE102012105327A1

DE102012105327A1 - Verfahren zur Korrektur von Permeationsunsicherheiten unter Verwendung eines Konzentrationssensors

Info

Publication number: DE102012105327A1
Application number: DE102012105327A
Authority: DE
Inventors: Daniel Di Fiore; Thomas Tighe
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC; General Motors LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2013-02-14
Also published as: US20130040211A1; CN102956901B; CN102956901A; US8974975B2

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Akkumulationsrate an Stickstoff in einer Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Stickstoffkonzentration in einer Anodenschleife und das Bestimmen einer Anzahl von Molen an Stickstoff in der Anodenschleife. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Bestimmen einer Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife und das Bestimmen eines Permeabilitätsfaktors an Stickstoff durch die Brennstoffzellenmembranen in dem Brennstoffzellenstapel mit Hilfe der bestimmten Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Permeationsrate von Stickstoff in einem Anodensubsystem und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Permeationsrate von Stickstoff in einem Anodensubsystem mit Hilfe eines Gaskonzentrationssensors und das Vergleichen der bestimmten Permeationsrate an Stickstoff mit einem Modell einer erwarteten Stickstoffpermeation, um ein Anodenentlüftungsereignis nach Bedarf anzupassen.
2. Diskussion des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Treibstoff, da er sauber ist und dazu genutzt werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten zwischendrin beinhaltet. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und die Elektronen in der Kathode erzeugen Wasser. Die Elektronen aus der Anode können nicht in den Elektrolyten gelangen und demzufolge werden diese über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gesendet werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC beinhalten eine feste Polymerelektrolytmembran, die Protonen leitet, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode beinhaltet typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), welches auf Kohlenstoffteilchen gelagert ist und mit einem Ionomer vermischt ist. Die Katalysatormischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran angeordnet. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Membranelektrodenanordnungen erfordern gewisse Bedingungen für ihren effektiven Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise einen Luftfluss, der durch den Stapel über einen Kompressor geleitet wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff wird vom Stapel aufgebraucht und es wird etwas an Luft als Kathodenabgas abgelassen, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anodenwasserstoff-Eingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt.
Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Serie von bipolaren Platten, die zwischen verschiedenen Membranelektrodenanordnungen im Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die Membranelektrodenanordnungen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, um das Anodenreaktionsgas an die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließen zu lassen. Kathodengasflusskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die es gestatten, dass das Kathodenreaktionsgas in die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten werden aus leitfähigem Material, beispielsweise einem rostfreien Stahl oder einem leitfähigen Verbund gebildet. Die Endplatten leiten die Elektrizität aus dem Stapel heraus, die innerhalb der Brennstoffzellen erzeugt wurde. Die bipolaren Platten beinhalten Durchflusskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt.
Die MEAs sind permeabel und ermöglichen, dass Luftstickstoff aus der Kathodenseite des Stapels durch den Stapel durchwandert und sich auf der Anodenseite des Stapels anreichert, was allgemein als Stickstoff-Cross-Over bezeichnet wird. Auch wenn der anodenseitige Druck leicht höher sein sollte als der kathodenseitige Druck, führen die kathodenseitigen Partialdrücke dazu, dass Sauerstoff und Stickstoff durch die Membranen durchwandern. Der durchgewanderte Sauerstoff wird in Anwesenheit des Anodenkatalysators reduziert, aber der durchgewanderte Stickstoff auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels löst jedoch den Wasserstoff. Falls die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz, beispielsweise 50% anwächst, wird der Brennstoffzellenstapel instabil und kann ausfallen.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, ein Entlüftungsventil am Anodenabgasauslass eines Brennstoffzellenstapels anzuordnen, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels abzulassen. Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Molenbruch an Stickstoff in der Anodenseite mit Hilfe eines Modells zu schätzen, um zu bestimmen, wann eine Entlüftung an der Anodenseite oder des Anodensubsystems ausgeführt werden soll. Die Modellschätzung kann allerdings Fehler beinhalten, da insbesondere die Komponenten des Brennstoffzellensystems mit der Zeit altern können. Falls die anodenseitige Stickstoffmolenbruch-Schätzung signifikant höher ist als der tatsächliche Stickstoffmolenbruch, wird aus dem Brennstoffzellensystem mehr Anodengas als notwendig abgelassen, was wiederum zur Vergeudung von Brennstoff führt. Falls die anodenseitige Stickstoffmolenbruch-Schätzung signifikant niedriger als der tatsächliche Stickstoffmolenbruch ist, wird nicht genug Anodengas aus dem System abgelassen, was wiederum zu einem Verhungern der Brennstoffzellen an Reaktanten führen kann, was die Elektroden in dem Brennstoffzellenstapel schädigen kann.
Wie oben erwähnt, wird die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems über die Zusammensetzung der Gase, die in die Anode und die Kathode des Stapels gelangen, beeinflusst. Während des Normalbetriebs der Brennstoffzellen wandert Stickstoff von der Kathodenseite durch die Membranen an die Anodenseite, was die Brennstoffkonzentration verdünnt. Falls zu viel Stickstoff oder Wasser auf der Anodenseite vorliegt, können die Zellspannungen sinken. Gaskonzentrationssensoren können dazu verwendet werden, die Konzentration der Gase innerhalb eines vorgegebenen Subsystems zu messen, wobei der Alterungszustand einer Brennstoffzellenmembran jedoch nur mit Hilfe der Permeationsrate bestimmt werden kann. Demzufolge besteht im Stand der Technik ein Bedürfnis für eine Strategie, um den Zeitpunkt für eine Anodenentlüftung basierend auf den Wechseln in der Permeationsrate der Gase, beispielsweise Stickstoff, durch die Brennstoffzellenmembranen zu adaptieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einer Akkumulationsrate an Stickstoff in einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, das das Bestimmen einer Konzentration an Stickstoff in einer Anodenschleife und das Bestimmen einer Anzahl von Molen von Stickstoff in der Anodenschleife beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife und das Bestimmen eines Permeabilitätsfaktors von Stickstoff durch die Brennstoffzellenmembranen in dem Brennstoffzellenstapel mit Hilfe einer vorbestimmten Akkumulationsrate von Stickstoff in der Anodenschleife.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
2 ist ein Flussdiagramm für einen Algorithmus zum Bestimmen der Permeationsrate an Stickstoff in einem Anodensubsystem; und
3 ist ein Graph, bei dem die Zeit auf der X-Achse und die Anzahl von Molen an Stickstoff in einem Anodensubsystem auf der Y-Achse abgetragen sind, um den Effekt zum Korrigieren der Druckwechsel zu veranschaulichen, wenn die Anzahl an Molen an Stickstoff in dem Anodensubsystem berechnet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Permeationsrate von Stickstoff in einem Anodensubsystem gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Verwendungen oder Anwendungen zu begrenzen.
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffquelle 14 wird an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Anodeneingangsleitung 18 mit Hilfe eines Injektors 16 bereitgestellt, beispielsweise einem Injektor/Ejektor, wie er aus dem US-Patent 7,320,840 mit dem Titel ”Kombination eines Injektors/Ejektors für Brennstoffzellensysteme”, veröffentlicht am 22. Januar 2008 und eingetragen auf den Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung und hiermit über Bezugnahme inkorporiert, ist. Das am Ausgang der Anodenseite des Stapels 12 bereitgestellte Anodenabgas wird in dem Brennstoffzellenstapel 12 über eine Anodenrezirkulationsleitung 20 zurückgeführt. Die Anodeneingangsleitung 18, der Injektor 16, die Anodenseite des Stapels 12 und die Anodenrezirkulationsleitung 20 sind alles Komponenten, die ein Anodensubsystem ausmachen, und die Anodeneingangsleitung 18 und die Anodenrezirkulationsleitung 20 machen eine Anodenschleife aus, wie sie Fachleuten bekannt ist. Der Stickstoff-Cross-Over von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 verdünnt den Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 12 und beeinträchtigt dabei die Brennstoffzellenstapel-Leistungsfähigkeit. Demzufolge ist es notwendig, periodisch das Anodenabgas aus dem Anodensubsystem mit Hilfe eines Entlüftungsventils 26 zu entlüften, um den Betrag an Stickstoff in dem Anodensubsystem, das heißt auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12, zu reduzieren. Sobald das Entlüftungsventil 26 geöffnet ist, fließt das entlüftete Anodenabgas durch eine Entlüftungsleitung 28.
Die Anodenschleife beinhaltet einen ersten Drucksensor 22 und einen zweiten Drucksensor 24, die räumlich über einen vorbekannten Abstand getrennt sind, wie das in der gleichzeitig anhängenden US-Patentanmeldung, Seriennummer 12/913, 324 mit dem Titel ”Anodengaszusammensetzung mit Hilfe einer Wasserstoffinjektionsdruckwellen-Propagationsrate”, angemeldet am 27. Oktober 2010 auf den Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, bekannt ist. Wie das System 10 zeigt, können die Sensoren 22 und 24 in der Anodenrezirkulationsleitung 20 angeordnet sein. Einer der Drucksensoren 22 oder 24 kann jedoch in der Anodeneingangsleitung 18 an einem Ort zwischen dem Injektor 16 und dem Stapel 12 angeordnet sein. Darüber hinaus können anstatt der zwei Sensoren 22 und 24, beispielsweise Automobildrucksensoren, die Drucksensoren sind, einer oder beide der Sensoren 22 und 24 piezoelektrische Sensoren sein, beispielsweise ein Akustiksensor, wie er in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/104,671 mit dem Titel ”Schallgeschwindigkeit von Schallmessungen mit Hilfe von Bandpassfilterung von Automobildrucksensoren” beschrieben ist, welche am 10. Mai 2011 angemeldet wurde und angemeldet ist auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung und hiermit über Bezugnahme inkorporiert ist. Ein Temperatursensor 46 zum Messen der Temperatur des Anodengases in der Rezirkulationsleitung 20 ist ebenso vorgesehen. Der Konzentrationssensor kann darüber hinaus als ein Gerät ausgeführt sein, das auf der thermischen Leitfähigkeit von Gasen beruht.
Luft aus einem Kompressor 32 wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf der Leitung 34 abgegeben. Ein Kathodengas ist aus dem Brennstoffzellenstapel 12 auf der Leitung 34 abgegeben. Ein Kathodengas wird aus dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Kathodengasleitung 36 abgelassen. Die Leitung 34, die Kathodenseite des Stapels 12 und die Kathodengasleitung 36 bilden alle einen Teil eines ”Kathodensubsystems”. Ein Mischgerät 38 ist in der Leitung 36 zum Mischen des Kathodengases aus dem Stapel 12 und dem entlüfteten Anodenabgas aus der Leitung 28 vorgesehen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Mischgerät 38 in der Leitung 34 zum Mischen des Kathodengases mit dem entlüfteten Anodenabgas aus der Leitung 28 vorgesehen sein. Der guten Ordnung halber wird angemerkt, dass diese Ausführungsform nicht gezeigt ist. Ein Drucksensor 48 in der Kathodengasleitung 36 misst den Druck auf der Kathodenseite des Stapels 12.
Ein Regler 44 überwacht die Temperatur und den Druck im Anodensubsystem und dem Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems 10 und regelt die Geschwindigkeit des Kompressors 32, regelt die Injektion an Wasserstoff aus dem Injektor 16 an die Anodenseite des Stapels 12 und regelt die Position des Anodenentlüftungsventils 26, wie weiter unten detaillierter ausgeführt werden wird.
Die meisten Sensoren, die die Gaszusammensetzung in einem vorgegebenen Subsystem messen, sind dazu in der Lage, die Gaskonzentrationen innerhalb dieses vorgegebenen Subsystems zu bestimmen. Die Gaskonzentration in einer Anodenrezirkulationsleitung kann mit Hilfe der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei
die Konzentration an Stickstoff,
die Anzahl von Molen an Stickstoff,
die Anzahl an Molen von Wasserstoff und
die Anzahl von Molen an Wasser ist.
Um die Änderungen in der Permeationsrate in den Membranen in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu korrigieren, ist es notwendig, die molare Akkumulation an Stickstoff aus dem Konzentrationswechsel an Stickstoff zu isolieren. Der Grund dafür, dass dies wichtig ist, die molare Akkumulation von Stickstoff aus dem Konzentrationswechsel an Stickstoff im Anodensubsystem zu separieren, ist, dass hier mehrere Fehlerquellen vorliegen, die dazu führen können, dass eine Konzentrationsdifferenz zwischen einem Modell, das die Konzentration an Stickstoff im Anodensubsystem schätzt und der bestimmten Konzentration an Stickstoff in dem Anodensubsystem, wie er von den Sensoren 22 und 24 gemessen wird, vorliegt. Darüber hinaus können die Entlüftungsflussratenfehler über das Entlüftungsventil 26 zu einem Konzentrationsfehler zwischen der modellierten Stickstoffkonzentration und der bestimmten Konzentration an Stickstoff aus den Sensoren 22 und 24 vorliegen, wobei jedoch die Permeationsrate an Stickstoff durch die Membranen der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 von diesem Fehler nicht beeinträchtigt wird. Demzufolge kann der Alterungszustand der Membranen in dem Brennstoffzellenstapel 12 nur mit Hilfe der Permeationsrate an Stickstoff durch die Membranen bestimmt werden. Das Bestimmen der Permeationsrate an Stickstoff und das Einstellen eines Anodenentlüftungszeitpunkts basierend auf dem Wechsel der Permeationsrate wird weiter unten detailliert diskutiert werden.
Da sich die Konzentration an Stickstoff verändern kann, basierend auf der Anzahl an Molen an Wasser und vorliegendem Wasserstoff, ohne dass sich dabei die Anzahl an Molen an Stickstoff verändert, muss dieser Konzentrationseffekt vor jeglicher Beurteilung, die über die Permeatinsrate an Stickstoff über die Membranen des Brennstoffzellenstapels 12 gemacht wird, korrigiert werden. Durch Auflösen der Gleichung nach der Anzahl der Mole an Stickstoff und Anwenden der idealen Gasgleichung wird aus der Gleichung (1):
wobei P_An der Druck in der Anodenschleife in kPa, V das Anodenvolumen in Litern, R die ideale Gaskonstante (ungefähr 8,3144 kPa·L·mol^–1·K^–1) und T die Anodenflusstemperatur in Kelvin ist.
Mit Hilfe der Gleichung (2) ist nun die Stickstoffakkumulation unabhängig vom Druck im Brennstoffzellensystem 10 und demzufolge kann die Stickstoffakkumulation mit einer erwarteten Permeationsrate an Stickstoff verglichen werden. Durch Überwachen der Anzahl an Molen an Stickstoff, der sich zwischen den Entlüftungsereignissen akkumuliert, ist es möglich, die Stickstoffakkumulationsrate zu bestimmen. Dieser Level an Korrekturwechseln in der Stickstoffakkumulation ist jedoch immer noch nicht genug, um genau das Stickstoffmodell mit den Sensormessungen zum Zweck einer Adaption eines Anodenentlüftungsereignisses zu vergleichen. Eine letzte endliche Bestimmung muss gemacht werden, um das Stickstoffmodell mit den Sensormessungen zu vergleichen, bevor ein Permeabilitätsfaktor ausgerechnet werden kann. Um den Permeabilitätsfaktor auszurechnen, wird die folgende Gleichung verwendet:
wobei
der Permeabilitätsfaktor, AA die active Fläche der Zelle, N_cell die Anzahl der Zellen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, t_mem die Membrandicke des Membranmaterials, das verwendet wird, um die Membranen jeder einzelnen Zelle herzustellen,
die Konzentration an Stickstoff am Anodeneingang und
die Akkumulationsrate an Stickstoff auf der Anodenseite des Stapels ist, welche beispielsweise über das Verfahren bestimmt werden kann, welches aus der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 12/971,982 mit dem Titel ”Flussbestimmung basierend auf einer Anodendruckantwort in einem Brennstoffzellensystem”, angemeldet am 17. Dezember 2012 und angemeldet auf den Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert ist. P_Ca ist der Druck des Kathodensubsystems,
ist die Konzentration an Stickstoff am Kathodeneinlass, welcher gemessen werden kann oder als die Konzentration an Stickstoff in der Luft angenommen werden kann und
ist die Konzentration an Stickstoff im Kathodenauslass, welcher als die erwartete Konzentration an Stickstoff im Kathodenauslass angenommen werden kann, nachdem die Brennstoffzellenreaktion stattgefunden hat, oder auch ein gemessener Wert sein kann.
Der resultierende Permeabilitätsfaktor
aus der Gleichung (3) kann direkt mit dem Modellwert für die Stickstoffpermeabilität auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 verglichen werden, um den Korrekturbetrag zu bestimmen, das heißt die Anpassung für einen Anodenentlüftungszeitpunkt, der erforderlich ist, falls überhaupt einer erforderlich ist.
2 ist ein Flussdiagramm 60 für einen Algorithmus zum Bestimmen einer Permeationsverstärkung aufgrund der Änderungen in der Permeationsrate an Stickstoff durch die Membranen des Brennstoffzellenstapels 12. Ein Anodenausgangsstickstoffkonzentrationseinlass 62 wird an einen Druckkorrekturalgorithmus 80 und eine Permeationsfluss-Berechnung 82 abgegeben. Wie oben erwähnt, kann die Anodenausgangsstickstoffkonzentration mit Hilfe der Sensoren 22 und 24 bestimmt werden. Ein Anodenschleifendruckeingang 64 wird darüber hinaus für den Druckkorrekturalgorithmus 80 und die Permeationsfluss-Berechnung 82 bereitgestellt. Der Anodendruck kann mit Hilfe der Drucksensoren 22 oder 24 gemessen werden. Ein Temperatureingang 66, der die Temperatur im Anodengas misst, wird in den Druckkorrekturalgorithmus 80 eingegeben und darüber hinaus in einem Stickstoffmodellkasten eingegeben.
Der Anodenauslass-Stickstoffkonzentrationseingang 62, der Anodenschleifendrucksensoreingang 64 und der Temperatursensoreingang 66 werden dazu verwendet, die Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu bestimmen, das heißt die Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife mit Hilfe der Gleichungen (1) und (2) wie oben erwähnt. Die bestimmte Akkumulationsrate an Stickstoff aus dem Druckkorrekturalgorithmus 80 wird dann an die Permeationsfluss-Berechnung 82 abgegeben.
Ein Kathodendruckeingang 66, ein Kathodeneinlassstickstoffkonzentrationseingang 68 und ein Kathodenauslassstickstoffkonzentrationseingang 70 werden an die Permeationsfluss-Berechnung 82 geliefert. Mit Hilfe der Eingänge 62, 64, 66, 68 und 70 kann ein Permeabilitätsfaktor an Stickstoff durch die Membranen des Stapels 12 mit Hilfe der Gleichung (3), wie oben erwähnt, bestimmt werden.
Wie oben erwähnt, wird der Temperatureingang 66 an die Stickstoffmodellbox 84 geliefert. Ein Lambda-Eingang 72, der den Wassergehalt in den Membranen des Brennstoffzellenstapels 12 anzeigt und der gemessen oder geschätzt werden kann, wird ebenfalls in die Stickstoffmodellbox 84 eingegeben, um einen Modellpermeabilitätsfaktor an Stickstoff durch die Membranen des Stapels 12 zu bestimmen. Der bestimmte Stickstoffpermeabilitätsfaktor aus der Permeationsfluss-Berechnung 82 und der Modellpermeabilitätsfaktor aus der Stickstoffmodellbox 84 werden an einen adaptiven Reglerkasten 86 geliefert. Ein Permeationsverstärkungsausgang 74, der durch den Vergleich des bestimmten Stickstoffpermeabilitätsfaktors aus der Permeationsfluss-Berechnung 82 und dem Modellpermeabilitätsfaktor aus der Stickstoffmodellbox 84 bestimmt wurde, werden von dem adaptiven Reglerkasten 86 an die Stickstoffmodellbox 84 geliefert, um einen Anodenentlüftungszeitpunkt bei Bedarf anzupassen. Der Anodenentlüftungszeitpunkt wird angepasst, falls die Permeationsverstärkung einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt, beispielsweise einen vorbestimmten Prozentsatz.
3 zeigt zwei Graphen mit der Zeit auf der X-Achse. Der obere Graph zeigt die Anzahl an Stickstoffmolen in einem Anodensubsystem auf der Y-Achse und der untere Graph zeigt die Konzentration an Stickstoff im Anodenausgang. Durch Vergleich des unteren Graphen mit dem oberen Graphen kann der Korrektureffekt für die Stickstoffkonzentration in der Anodenschleife betrachtet werden. Die obere Kurve aus der 3 veranschaulicht den Effekt für das Korrigieren des Stickstoffmodells, basierend auf der bestimmten Anzahl von Molen an Stickstoff in der Anodenschleife. Die obere Kurve, welche die bestimmte Anzahl von Stickstoffmolen verwendet, ist ein glattes anwachsendes Signal zwischen Entlüftungsereignissen. Die untere Kurve, welche die bestimmte Konzentration von Stickstoff verwendet, fällt ab, sobald der Systemdruck anwächst, was bei ungefähr 2350 Sekunden in der 3 geschieht. Die Krümmung des oberen Graphen kann leicht bestimmt werden und aus der Krümmung kann der Permeabilitätsfaktor für den Stickstoff ermittelt werden. Demzufolge kann der oben erörterte Algorithmus an einen adaptiven Regler geliefert werden, um einen Entlüftungszeitpunkt bei Bedarf genauer zu korrigieren.
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus dieser Diskussion und aus den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei Geist und Schutzbereich der Erfindung, wie er von den folgenden Patentansprüchen definiert wird, zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7320840 [0015]

Claims

Verfahren zum Anpassen einer Anodenentlüftungsstrategie für einen Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem, wobei. das Verfahren umfasst: – Bestimmen einer Konzentration an Stickstoff in einer Anodenschleife des Brennstoffzellensystems; – Bestimmen einer Anzahl von Molen an Stickstoff in der Anodenschleife des Brennstoffzellensystems; – Bestimmen einer Akkumulationsrate von Stickstoff in der Anodenschleife des Brennstoffzellensystems; – Bestimmen eines Permeabilitätsfaktors an Stickstoff durch die Brennstoffzellenmembranen in dem Brennstoffzellenstapel mit Hilfe der bestimmten Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife des Brennstoffzellensystems; – Vergleichen des bestimmten Permeabilitätsfaktors an Stickstoff mit einem erwarteten Permeabilitätsfaktor an Stickstoff, um eine Stickstoffpermeabilitätsverstärkung zu bestimmen; und – Anpassen der Anodenentlüftungsstrategie für das Brennstoffzellensystem, falls ein vorbestimmter Schwellwert für die Stickstoffpermeabilitätsverstärkung erreicht worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Stickstoffkonzentration in der Anodenschleife des Brennstoffzellensystems das Bestimmen der Konzentration an Gasen in der Anodenschleife mit Hilfe zumindest eines Sensors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife des Brennstoffzellensystems das Überwachen der Akkumulation an Molen von Stickstoff in der Anodenschleife umfasst, die zwischen Entlüftungsereignissen auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Permeabilitätsfaktors an Stickstoff durch die Brennstoffzellenmembranen in dem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung der bestimmten Akkumulationsrate an Stickstoff in der Anodenschleife die Verwendung der Gleichung
beinhaltet, wobei
der Permeabilitätsfaktor, AA eine aktive Fläche der Zelle, N_cell die Anzahl der Zellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels, t_mem eine Membrandicke aus einem Membranmaterial ist, welches verwendet wird, um die Membran für jede Zelle herzustellen,
die Konzentration an Stickstoff im Anodeneingang,
die Akkumulationsrate an Stickstoff auf der Anodenseite des Stapels ist, P_Ca der Druck im Kathodensubsystem ist,
die Konzentration an Stickstoff im Kathodeneinlass und
die Konzentration an Stickstoff im Kathodenauslass ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Stickstoffkonzentration im Kathodeneinlass und die Stickstoffkonzentration im Kathodenauslass ein angenommener Wert oder ein gemessener Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erwartete Permeabilitätsfaktor an Stickstoff auf einer Modellschätzung basiert.