DE102012209467A1

DE102012209467A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung der wasserstoffkonzentration für ein brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102012209467A1
Application number: DE102012209467A
Authority: DE
Inventors: Dong-Hun Lee; Seo Ho Choi
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-06-06
Also published as: CN103137987A; KR20130060741A; CN103137987B; US20130137007A1; KR101459815B1; US9450258B2

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Wasserstoffkonzentration eines Brennstoffzellensystems zum Halten der Wasserstoffkonzentration einer Anode auf einem angemessenen Pegel gemäß der einer Brennstoffzelle zugeführten Konzentration sind offenbart. Genauer ist ein Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration direkt in einer Wasserstoffspeichervorrichtung vorgesehen, werden die Wasserstoffkonzentration und Verunreinigungskonzentration in einem Anodenkanal eines Brennstoffzellensystems basierend auf einer gemessenen Wasserstoffkonzentration berechnet, und wenn bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal unter einen Bezugswert sinkt, mit welchem das Brennstoffzellensystem stabil betätigt werden kann, wird eine Spülsteuerung zum Ablassen der Gase (Wasserstoff und Verunreinigungen) im Anodenkanal zur Außenseite durchgeführt, damit die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems gleich dem Bezugswert oder höher als derselbe gehalten werden kann.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem, welche zum Halten der Wasserstoffkonzentration einer Anode in einem Brennstoffzellensystem auf einem angemessenen Pegel gemäß der Konzentration des zur Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführten Wasserstoffs adaptiert sind.
(b) Hintergrund der Erfindung
Ein Brennstoffzellensystem enthält üblicherweise ein Wasserstoffzuführsystem und eine Sauerstoffzuführsystem zum Zuführen von Reaktantgasen (Wasserstoff und Luftsauerstoff); einen Brennstoffzellenstapel zum elektrochemischen Umwandeln von chemischer Energie, welche aus einer Oxidations- und Reduktionsreaktion der Reaktantgase gewonnen wird, in elektrische Energie, um Wärme als Reaktionsprodukt und elektrische Energie zu erzeugen; und ein Wasser- und Wärmemanagementsystem zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels.
Unter diesen Komponenten des Brennstoffzellensystems weist der Brennstoffzellenstapel zum praktischen Erzeugen von Elektrizität eine gestapelte Struktur aus Elementarzellen im zwei- bis dreistelligen Bereich auf, welche jeweils aus einer Membranelektrodeneinheit (MEA) (welche auch als Elektroden-Membraneinheit oder Elektroden-Membran-Verbindungskörper bezeichnet werden kann) und einem Separator besteht, in welchem ein Paar Endplatten an den gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels montiert sind, um die individuell gestapelten Komponenten mit einem vorbestimmten Flächendruck aneinander zu befestigen und die Stromabnahme auszuführen.
Die MEA enthält eine Polymerelektrolytmembran, eine Anode und eine Kathode, welche angeordnet sind, wobei die Polymerelektrolytmembran zwischen denselben angeordnet ist, wobei die Anode (welche auch als Wasserstoffelektrode, Brennstoffelektrode, Minuspolelektrode oder Oxidationselektrode bezeichnet werden kann) und die Kathode (welche auch als Luftelektrode, Sauerstoffelektrode, Pluspolelektrode oder Reduktionselektrode bezeichnet werden kann) durch das Adsorbieren einer Nanopartikel von Katalysatoren enthaltenden katalytischen Schicht auf eine Verstärkungsschicht hergestellt werden.
Nun wird das Elektrizitätserzeugungsprinzip solch eines Brennstoffzellensystems kurz beschrieben werden. Da der Anode des Brennstoffzellenstapels Wasserstoff zugeführt wird, wird an der Anode eine Oxidationsreaktion des Wasserstoffs initiiert und dadurch Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen erzeugt. Die dadurch erzeugten Wasserstoffionen und Elektronen werden durch eine Elektrolytmembran und einen Separator zur Kathode bewegt. Dann wird durch eine elektrochemische Reaktion zwischen den Wasserstoffionen und Elektronen, welche von der Anode bewegt werden, und Luftsauerstoff an der Kathode Wasser erzeugt und die schließlich aus der Verbreitung bzw. dem Umlauf (currency) solcher Elektronen erzeugte elektrische Energie durch einen Stromkollektor der Endplatten an eine Last (z. B. ein Motor zum Antreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs), welche die elektrische Energie erfordert, angelegt.
Inzwischen wird eine herkömmliche Wasserstoffkonzentrations-Steuertechnik zum Halten der Wasserstoffkonzentration der Anode eines Brennstoffzellenstapels auf einem angemessenen Pegel durch das Messen der Konzentration des zur Anode zugeführten Wasserstoffs auf verschiedene herkömmliche Wasserstoffzuführsysteme zum Zuführen von Wasserstoff unter Verwendung eines Modifizierers angewendet. Beispielsweise bestätigt und steuert die herkömmliche Steuertechnik die Konzentration des durch so einen Modifizierer erzeugten Wasserstoffs und des Fremdstoffgehalts im Wasserstoff derart, dass Wasserstoff mit einer Konzentration gleich einer Bezugskonzentration oder höher als dieselbe zugeführt wird. Wenn für die katalytische Schicht schädliche Fremdstoffe im Wasserstoff enthalten sind, wird das Antreiben des Wasserstoffzuführsystems beendet.
Zudem wird eine andere herkömmliche Wasserstoffkonzentrations-Steuertechnik auf ein Wasserstoffzuführsystem angewendet. Die herkömmliche Wasserstoffkonzentrations-Steuertechnik misst die Impedanz eines Brennstoffzellenstapels zum Bestimmen der Wasserstoffkonzentration in dem Annodenkanal der Brennstoffzelle basierend auf der gemessenen Impedanz. Wenn die Wasserstoffkonzentration geringer als ein Bezugswert ist, hält die herkömmliche Wasserstoffsteuertechnik die Wasserstoffkonzentration durch Spülsteuerung der Anode aufrecht. Es besteht jedoch eine Schwierigkeit beim präzisen Messen der Wasserstoffkonzentration durch Messen der Impedanz von einem Brennstoffzellenfahrzeug, dessen Brennstoffzelle unter einer fortlaufenden Schwankung der Strombelastung praktisch leidet. Insbesondere besteht darin ein Problem, dass die Brennstoffzelle notwendigerweise mit einer kostspieligen Impedanzmessvorrichtung ausgestattet sein sollte.
Noch eine andere herkömmliche Technik wird angewendet, bei welcher die herkömmliche Technik einen Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration in entweder einem Wasserstoffrückführungsrohr oder einem Auslassende einer Anode eines Brennstoffzellenstapels liefert, um die Konzentrationen des Wasserstoffs und der Verunreinigungen der Anode zu bestätigen. Diese Technik bestätigt den Leistungszustand aller Elementarzellen des Brennstoffzellenstapels. Wenn die Leistung aufgrund übermäßiger Verunreinigungen in der entsprechenden Elementarzelle geringer als ein Bezugswert ist, führt die herkömmliche Technik eine Wasserstoffspülung zum Entfernen der Verunreinigungen durch.
In dieser Ausführungsform besteht jedoch, wenn die Wasserstoffkonzentration an der Rückführungsrohrseite bestätigt wird, eine Schwierigkeit beim praktischen Anwenden der herkömmlichen Technik, da die rückgeführte Menge an Wasserstoff gemäß den Operationszuständen der Brennstoffzelle nicht konstant ist und es sehr schwierig ist die Wasserstoffkonzentration unter dem Einfluss von Kondenswasser präzise zu messen. Zudem besteht eine ausreichend hohe Möglichkeit, dass bei dieser Technik an der Anode ein Schaden und eine Haltbarkeitsverringerung noch auftreten können, da der Wasserstoffspülungsprozess oft durchgeführt wird nachdem das Problem bereits aufgetreten ist. Da es am Auslassende der Brennstoffzellenanode tatsächlich eine große Menge an Kondenswasser gibt, was einen normalen Betrieb des Sensors zum Messen der Wasserstoffkonzentration am Auslassende erschwert, und da die Wahrscheinlichkeit eines aufgrund des Wassers verursachten Messfehlers oder Ausfalls des Sensors sehr hoch ist, ist es zudem schwierig diese herkömmliche Technik an einem gegenwärtigen Produkt anzuwenden.
Noch eine andere herkömmliche Technik wird angewendet, wobei die herkömmliche Technik einen Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration in einem Wasserstoffrückführungsrohr zum Bestätigen der Konzentration an Verunreinigungen in einem Anodenkanal liefert und dann eine Wasserstoffspülsteuerung basierend auf dieser Bestätigung ausführt. Da jedoch eine große Menge an Kondenswasser im Rückführungsrohr besteht, ist es in den meisten Fällen schwierig die Wasserstoffkonzentration zu messen. Zudem ist es wieder sehr wahrscheinlich, dass der oben erwähnte Prozess durchgeführt werden wird nachdem eine Elektrode der Brennstoffzelle aufgrund der Verunreinigungen in der Anode bereits beschädigt wurde, und folglich wird infolgedessen die Haltbarkeit der Anode wieder stark beeinträchtigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem, wobei ein Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration direkt in einer Wasserstoffspeichervorrichtung (z. B. ein Wasserstofftank) vorgesehen ist, die Wasserstoffkonzentration und die Verunreinigungskonzentration in einem Anodenkanal des Brennstoffzellensystems basierend auf der gemessenen Wasserstoffkonzentration berechnet werden, und wenn bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal unterhalb eines Bezugswertes sinkt, mit welchem das Brennstoffzellensystem stabil betrieben werden kann, eine Spülsteuerung zum Ablassen der Gase (Wasserstoff und Verunreinigungen) im Anodenkanal zur Außenseite derart durchgeführt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten werden kann nicht geringer als der Bezugswert zu sein.
In einem Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Steuern der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffzuführsystem zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Anode einer Brennstoffzelle. Die beispielhafte Vorrichtung zum Steuern der Wasserstoffkonzentration enthält einen Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration, welcher direkt in einer Wasserstoffspeichervorrichtung (z. B. ein Wasserstofftank des Wasserstoffzuführsystems oder ein Wasserstoffzuführrohr, welches zwischen dem Wasserstofftank und der Anode angeschlossen ist) montiert ist, und eine Steuerung. Die Steuerung ist zum Berechnen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal basierend auf der Wasserstoffkonzentration, welche durch den Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration gemessen wurde, und zum Durchführen einer Spülsteuerung für die Gase im Anodenkanal durch Öffnen eines Wasserstoffspülventils, wenn bestimmt wird, dass die berechnete Wasserstoffkonzentration unter einen Bezugwert verringert ist, vorgesehen.
In einem anderen Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Wasserstoffkonzentration eines Brennstoffzellensystems, welches Folgendes enthält: Messen der Wasserstoffkonzentration in einem Wasserstofftank oder Wasserstoffzuführrohr; Berechnen einer Änderung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal und Verunreinigungskonzentration basierend auf der gemessenen Wasserstoffkonzentration; und Durchführen einer Wasserstoffspülung durch Öffnen eines Wasserstoffspülventils für eine vorbestimmte Zeitdauer, wenn bestimmt wird, dass die Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal nicht weniger als ein oberer Grenzwert des Bezugswertes (β) beträgt, damit Wasserstoff und Verunreinigungen zur Außenseite abgelassen werden können.
Durch die oben erwähnten Merkmale liefert die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration direkt an einer bestimmten Position in einem Wasserstofftank oder einem Wasserstoffzuführrohr vorgesehen, werden die Wasserstoffkonzentration und Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems basierend auf einer gemessenen Wasserstoffkonzentration berechnet, und wenn bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anaodenkanal unter einen Bezugswert für Wasserstoff sinkt, mit welchem das Brennstoffzellensystem stabil betrieben werden kann, wird eine Spülsteuerung durchgeführt. Mit anderen Worten wird eine Spülsteuerung zum Ablassen der Gase (Wasserstoff und Verunreinigungen) im Anodenkanal zur Außenseite durchgeführt, wenn bestimmt wird, dass die Verunreinigungskonzentration über einen vorbestimmten Bezugswert zugenommen hat. Folglich kann die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems auf dem Bezugswert für Wasserstoff oder höher als derselbe gehalten werden.
Ungeachtet der Konzentration des in den Wasserstofftank gefüllten bzw. geladenen Wasserstoffes, wird zudem die Spülsteuerung zum Halten der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal auf einem angemessenen Pegel durch Berechnen der Wasserstoffkonzentration und Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal basierend auf der Wasserstoffkonzentration durchgeführt, welche durch den im Wasserstofftank vorgesehenen Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration gemessen wird. D. h., selbst wenn Wasserstoff mit unterschiedlichen Konzentrationen von regionaler Wasserstofftankstelle zu regionaler Wasserstofftankstelle geladen ist, wird die Spülsteuerung durchgeführt. Folglich ist es möglich, den stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten und eine Beschädigung der Anode sowie eine Herabsetzung der Haltbarkeit derselben zu verhindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun in Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben werden, welche in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, die nachstehend nur zu Veranschaulichung dienen und folglich die vorliegende Erfindung nicht beschränken und in welchen:
die 1 und 2 schematische Ansichten sind, welche jeweils eine Konstruktion der Vorrichtung zum Steuern der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
3 eine schematische Ansicht zum Beschreiben ist, wie Bewegungen von Substanzen in Relation zu einem Anodenkanal einer Brennstoffzelle der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert werden;
4 ein Ablaufplan zum Beschreiben des erfinderischen Verfahrens zum Steuern der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
5 ein Graph ist, welcher im Anodenkanal durchgeführte Wasserstoffspülzyklen nach der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird nun auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert Bezug genommen werden, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und nachstehend beschrieben sind.
Es sollte klar sein, dass der Ausdruck „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, welche Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, welche eine Vielzahl an Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Verbrennung, elektrische Plug-In-Hybridfahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge mit alternativen Brennstoffen enthält (z. B. Brennstoffe, welche aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden).
Es ist wohlverstanden, dass die Leistung eines Polymerelektrolyt-Brennstoffzellensystems durch die Konzentration des zur Anode des Brennstoffzellensystems zugeführten Wasserstoffes direkt beeinträchtig wird, wobei die mit dem gleichen Strom auf einer Strom-Spannungs-Kennlinienkurve erhaltene Spannung auch gering ist, wenn die Reinheit des zugeführten Wasserstoffs gering ist. Wenn die Konzentration unterhalb eines vorbestimmten Pegels verringert ist, wird der Wasserstoff zudem am Kanalauslassende der Anode dünn, was einen schnellen Spannungsabfall der Brennstoffzelle aufgrund des Verlustes der Wasserstoffkonzentration verursacht.
Da die Wasserstoffkonzentrationen aller regionalen Wasserstofftankstellen nicht einander gleichen können, ist es insbesondere absolut notwendig eine Steuertechnik zu entwickeln, welche die Leistung einer Brennstoffzelle gemäß der Konzentration des einer Anode eines Brennstoffzellenstapels zugeführten Wasserstoffes stabil aufrechterhalten kann.
Zu diesem Zweck setzt die vorliegende Erfindung Akzent auf das Ermöglichen des Haltens der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems auf einem Pegel, welcher gleich einem Bezugswert oder höher als derselbe ist, welcher zum stabilen Betätigen des Brennstoffzellensystems erfordert wird, durch Berechnen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal gemäß einem Betätigungszustand der Brennstoffzelle basierend auf der Wasserstoffkonzentration, welche gemessen wird, wenn eine zum Messen der Wasserstoffkonzentration fähige Vorrichtung in einem wieder befüllbaren Wasserstoffspeichertank oder einem Wasserstoffzuführrohr vorgesehen ist, und durch Durchführen einer Spülsteuerung zum Ablassen des Gases (Wasserstoff und Verunreinigungen) innerhalb der Anode zur Außenseite, wenn bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal unterhalb des Bezugswertes verringert ist.
1 ist eine schematische Ansicht, welche eine Konstruktion der Vorrichtung zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Wasserstoffzuführsystem zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Anode eines Brennstoffzellenstapels und ein Wasserstoffrückführungssystem zum Rückführen des Wasserstoffs zur Anode zeigt. Genauer sind ein Stromsensor 2 und ein Spannungssensor 3 zum Messen des Stroms bzw. der Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten Elektrizität vorgesehen.
In Bezug auf die schrittweise Konstruktion und Betätigung der Wasserstoffzuführvorrichtung wird die Konzentration durch Folgendes gesteuert: (1) Ablassen des Wasserstoffs in einen Wasserstofftank 5 während des Regelns des Wasserstoffs auf einen vorbestimmten Druck durch einen Hochdruckregler 6; (2) Zulassen, dass der abgelassene Wasserstoff durch ein Magnetventil 7 strömt, welches sich in dem geöffneten Zustand befindet während das Brennstoffzellensystem betätigt wird; (3) erneutes Regeln des Wasserstoffs, welcher das Magnetventil 7 passiert hat, auf einen vorbestimmten Druck durch einen Niederdruckregler 8; und (4) Zuführen des Wasserstoffs, welcher den Niederdruckregler 8 passiert hat, zur Anode des Brennstoffzellenstapels 1, wobei der Durchsatz des zur Anode zugeführten Wasserstoffs durch einen Durchsatzmesser 9 gemessen wird.
Der auf diese Weise der Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführte Wasserstoff reagiert mit Luftsauerstoff, um Elektrizität zu erzeugen, und dann wird ein Teil des nicht reagierten Wasserstoffs zu einer Einlassseite der Anode durch ein Magnetventil 10, z. B. ein Wasserstoffrückführungsventil, durch Antreiben eines Wasserstoffumwälzgebläses 11 des Wasserstoffrückführungssystems rückgeführt und der Rest des nicht reagierten Wasserstoffs durch ein Magnetventil 12, z. B. ein Wasserstoffspülventil, zur Außenseite abgelassen.
Vorteilhafter Weise ermöglicht die vorliegende Erfindung ein stabiles Betätigen des Brennstoffzellensystems trotz der Schwankungen der Konzentration des vom Wasserstofftank 5 zugeführten Wasserstoffs durch variables Steuern der Menge an abgeführten Wasserstoff und Verunreinigungen gemäß der Wasserstoffkonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5, wenn der in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 gespeicherte Wasserstoff dem Anodenkanal durch das Wasserstoffzuführrohr zugeführt wird.
Die Konzentration des in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 geladenen Wasserstoffs wird immer dann verändert, wenn der Wasserstoff geladen wird, da regionale Wasserstofftankstellen unterschiedliche Wasserstoffkonzentrationen aufweisen. Sofern die Schwankung der Konzentration des in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 geladenen Wasserstoffs nicht berücksichtigt wird, wird die Konzentration des zur Anode des Stapels 1 vom Wasserstofftank zugeführten Wasserstoffs auch verändert, was verursacht, dass die Leistung der Brennstoffzellen manchmal nachteilig verändert wird.
D. h., wenn die Wasserstoffkonzentration im Wasserstofftank 5 zu gering ist, fällt die Spannung der Brennstoffzelle abrupt ab, was eine Beschädigung der Anodenelektrode durch eine Rückwärtsspannung verursachen kann. Die Beschädigung der Elektrode kann die Leistung der Brennstoffzelle herabsetzen und ein Problem bezüglich der Haltbarkeit und Langlebigkeit verursachen.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Sensor 12 zum Messen der Wasserstoffkonzentration direkt an einer bestimmten Position in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 montiert (z. B. ein Wasserstofftank oder das Wasserstoffzuführrohr), die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal basierend auf der Wasserstoffkonzentration im Wasserstofftank 5 berechnet, welche durch den Sensor 13 zum Messen der Wasserstoffkonzentration gemessen wird, und die Gase (z. B. Wasserstoff und Verunreinigungen) in der Anode zur Außenseite durch Spülsteuerung abgelassen, wenn bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal unterhalb eines Bezugswertes für Wasserstoff verringert ist, mit welchem das Brennstoffzellensystem stabil betätigt werden kann. Wenn bestimmt wird, dass die Konzentration an Verunreinigungen höher als ein Bezugswert für Verunreinigungen ist, werden folglich diese Gase im Anodenkanal abgeführt, so dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal gleich dem Bezugswert für Wasserstoff oder höher als derselbe und die Verunreinigungskonzentration unterhalb des Bezugswertes für Verunreinigungen gehalten werden können.
Nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist kein Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung vorgesehen. In solch einem Fall wird die Konzentration des in der Wasserstoffspeichervorrichtung geladenen Wasserstoffs nicht verändert, solange nicht wieder neuer Wasserstoff geladen wird. Wenn neuer Wasserstoff von einer Wasserstofftankstelle geladen wird, kann daher die Steuerung 4 Informationen, welche die Konzentration und geladene Menge des neuen Wasserstoffs betreffen, direkt von der Wasserstofftankstelle durch eine verdrahtete oder drahtlose Kommunikationseinrichtung empfangen und die Ist-Wasserstoffkonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung zusammen mit Informationen, welche die Menge und Konzentration des Wasserstoffs betreffen, welcher in der Wasserstoffspeichervorrichtung bleibt, berechnen bevor der neue Wasserstoff in das System geladen wird.
Nachdem die Wasserstoffkonzentration durch den Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration gemessen wird, welcher in der Wasserstoffspeichervorrichtung (d. h. ein Wasserstofftank oder Wasserstoffzuführrohr) vorgesehen ist, oder die Ist-Wasserstoffkonzentration in dem Wasserstoff unter Verwendung der Informationen gemessen wird, welche von einer Wasserstofftankstelle direkt erhalten werden und die Konzentration und geladene Menge an Wasserstoff betreffen, wird die Veränderung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems und der Verunreinigungskonzentration basierend auf der gemessenen Wasserstoffkonzentration berechnet.
Nun wird die Berechnung der Veränderung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal des Brennstoffzellensystems und der Verunreinigungskonzentration in demselben detaillierter beschrieben werden.
Zum Berechnen der Veränderung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal und der Verunreinigungskonzentration in demselben während des Betriebs des Brennstoffzellensystems sollte die Gesamtheit des Anodenkanals vorzugsweise als einziges Steuervolumen eingestellt werden.
3 zeigt Leitflüsse einzelner Substanzen, welche zwischen der Innen- und Außenseite des Anodenkanals strömen, welcher als einziges Steuervolumen eingestellt ist. Wie in 3 gezeigt, wird in der Anode Wasserstoff durch eine elektrochemische Reaktion verbraucht, wobei der Wasserstoff
und die Verunreinigungen (ṁ_im) von der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 durch die verbrauchte Menge an Wasserstoff
zur Anode zugeführt werden.
Da ein Übergang durch eine Membranelektrodeneinheit (MEA) aufgrund des Unterschieds in der Konzentration zwischen den der Anode und der Kathode zugeführten Gasen während der Betätigung des Brennstoffzellensystems auftritt, werden Sauerstoff
und Stickstoff
von der Kathode zur Anode geleitet und Wasserstoff
von der Anode zur Kathode geleitet.
Basierend auf diesen zugeführten Mengen und Übergangsmengen der einzelnen Substanzen, welche zwischen der Innen- und Außenseite des Anodenkanals strömen, welcher als einziges Steuervolumen eingestellt ist, kann die Verunreinigungskonzentration (C_im) im Anodenkanal, welche sich mit der Zeit ändert, nachstehend als Gleichung 1 ausgedrückt werden. Gleichung 1
In der Gleichung 1 geben
und m_im.an die Ausgangsmengen von Wasserstoff bzw. Verunreinigungen im Anodenkanal an, wobei die Verunreinigungskonzentration eine Molkonzentration bedeutet und die Menge jeder Substanz die Anzahl an Mol bedeutet.
Angenommen, dass es keine Druckänderung im Steuervolumen gibt, wird die Summe der Wasserstoffmenge
und der Menge an Verunreinigungen (ṁim), welche dem Einlass der Anode zugeführt wird, gleich der Summe der durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Menge an Wasserstoff
und der Übergangsmengen an Substanzen, welche durch die MEA strömen. Da die Übergangsmengen sehr gering sind, kann jedoch der Ausdruck der Übergangsmengen ignoriert werden. Angenommen, dass es keine Druckänderung im Steuervolumen gibt, ist folglich die Summe der Wasserstoffmenge
und der Menge an Verunreinigungen (ṁ_im), welche dem Einlass der Anode zugeführt werden, im Wesentlichen gleich der durch die elektrochemische Reaktion verbrauchten Menge an Wasserstoff
Zur Vereinfachung der Gleichung 1 kann die Summe der Mengen an Sauerstoff und Stickstoff, welche aufgrund des Übergangs bewegt werden, nachstehend als Gleichung 2 ausgedrückt werden. Gleichung 2
Die durch die elektrochemische Reaktion verbrauchte Menge an Wasserstoff
kann, da proportional zum verbrauchten Strom der Brennstoffzelle (i) ist, nachstehend als Gleichung 3 ausgedrückt werden. Gleichung 3
Angenommen, dass die Verunreinigungskonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung α ist, können zudem die Mengen an Verunreinigungen und Wasserstoff, welche der Anode zugeführt werden, nachstehend als Gleichungen 4 und 5 ausgedrückt werden. Gleichung 4
Gleichung 5

ṁim = αAi

Wenn die Gleichungen 2 bis 5 in die Gleichung 1 eingesetzt werden, kann daher die Gleichung 1 zum Berechnen der Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal vereinfacht und nachstehend als Gleichung 6 ausgedrückt werden. Gleichung 6
Nach der vorliegenden Erfindung wird die Verunreinigungskonzentration (C_im) im Anodenkanal gemäß der Verunreinigungskonzentration (α) in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 unter Verwendung der Gleichung 6 berechnet, und wenn bestimmt wird, dass die Verunreinigungskonzentration (C_im) gleich einem oberen Grenzwert der zuvor durch einen Test oder Ähnliches erhaltenen Bezugskonzentration (β) oder höher als derselbe ist, wird das Wasserstoffspülventil 12 für eine vorbestimmte Zeitdauer geöffnet, um eine Wasserstoffspülung derart durchzuführen, dass die Verunreinigungen abgelassen werden können.
Vorzugsweise wird das Wasserstoffspülventil 12 derart geöffnet (über eine elektronische Steuerung), dass die Verunreinigungen abgelassen werden können bis die Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal unterhalb eines unteren Grenzwertes der Bezugskonzentration (ε) verringert ist und wenn bestimmt wird, dass die Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal unterhalb des unteren Grenzwertes der Bezugskonzentration (ε) verringert ist, wird das Wasserstoffspülventil 12 geschlossen, um die Wasserstoffspülung zu beenden.
Zwar wird die obige beispielhafte Ausführungsform beschrieben eine einzige Steuerung zum Durchführen des obigen Prozesses zu verwenden, aber es versteht sich, dass die obigen Prozesse auch durch eine Vielzahl an Steuerungen oder Steuereinheiten durchgeführt werden können.
Die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung kann zudem als nicht-transitorisches, computerlesbares Medium auf einem computerlesbaren Datenträger ausgeführt werden, welcher ausführbare Programmbefehle enthält, welche durch einen Prozessor, eine Steuerung oder Ähnliches ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Datenträgern enthalten Festwertspeicher, Direktzugriffsspeicher, Compact-Disc-Festwertspeicher (CD-ROMs), Magnetbänder, Disketten, Speichersticks, Chipkarten und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufnahmemedium kann auch in netzwerkgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass das computerlesbare Medium auf verteilte Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematikserver oder ein Controller Area Network (CAN).
Da die Zunahme der Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal mit der Zeit proportional zur Verunreinigungskonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung ist, nimmt indessen die Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal mit der Zeit schnell zu, wenn die Verunreinigungskonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung hoch ist. Wie in 5 gezeigt, ist es daher erwünscht die Wasserstoffspülzyklen im Verhältnis zur Verunreinigungskonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung 5 zu erhöhen.
So kann durch direktes Liefern eines Sensors zum Messen der Wasserstoffkonzentration an einer bestimmten Position in der Wasserstoffspeichervorrichtung (z. B. der Wasserstofftank oder das Wasserstoffzuführrohr), das Berechnen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal basierend auf der Wasserstoffkonzentration in der Wasserstoffspeichervorrichtung, welche durch den Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration gemessen wird, und das Ablassen der Gase (Wasserstoff und Verunreinigungen) in der Anode zur Außenseite durch Spülsteuerung, wenn bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal unterhalb eines Bezugswertes für Wasserstoff verringert ist, mit welchem das Brennstoffzellensystem stabil betrieben werden kann, die Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal auf einem Pegel gleich dem Bezugswert für Wasserstoff oder höher als derselbe gehalten werden und die Verunreinigungskonzentration unterhalb des Bezugswertes für Verunreinigungen gehalten werden. Folglich ist es möglich den stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems sicherzustellen.
Die Erfindung wurde in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen derselben detailliert beschrieben. Es wird jedoch von jemandem mit technischen Fähigkeiten eingesehen werden, dass an diesen Ausführungsformen Änderungen vorgenommen werden können ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Erfindung abzuweichen, deren Bereich in den beiliegenden Ansprüchen und Äquivalenten derselben definiert ist.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffzuführsystem zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Anode einer Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration, welcher direkt in einem Wasserstofftank des Wasserstoffzuführsystems oder in einem Wasserstoffzuführrohr angeordnet ist, welches zwischen dem Wasserstofftank und der Anode angeschlossen ist; und eine Steuerung, welche zum Berechnen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal basierend auf der durch den Sensor zum Messen der Wasserstoffkonzentration gemessenen Wasserstoffkonzentration und Durchführen einer Spülsteuerung von Gasen im Anodenkanal durch Öffnen eines Wasserstoffspülventils vorgesehen ist, wenn die Steuerung bestimmt, dass die berechnete Wasserstoffkonzentration unterhalb eines Bezugswertes gesunken ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung eine verdrahtete oder drahtlose Kommunikationseinrichtung aufweist, welche zum Empfangen von Informationen in Bezug auf die Konzentration und Menge des an einer Wasserstofftankstelle geladenen Wasserstoffs vorgesehen ist.
Verfahren zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration für ein Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Messen einer Wasserstoffkonzentration in einem Wasserstofftank oder einem Wasserstoffzuführrohr durch einen Sensor; Berechnen einer Änderung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal und Verunreinigungskonzentration in demselben basierend auf der gemessenen Wasserstoffkonzentration durch eine Steuerung; Bestimmen durch die Steuerung, ob die berechnete Wasserstoffkonzentration unterhalb eines vorbestimmten Bezugswertes gesunken ist; und in Erwiderung auf das Bestimmen, dass die Wasserstoffkonzentration unterhalb eines vorbestimmten Bezugswertes gesunken ist, Durchführen einer Wasserstoffspülung durch Öffnen eines Ventils für eine vorbestimmte Zeitdauer, so dass Wasserstoff und Verunreinigungen zur Außenseite abgelassen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Berechnen der Änderung der Wasserstoffkonzentration im Anodenkanal und Verunreinigungskonzentration zudem das Berechnen der Verunreinigungskonzentration (C_im) gemäß der Verunreinigungskonzentration (α) unter Verwendung einer Gleichung aufweist, welche durch
definiert ist, wobei die Gleichung durch Einstellen einer Gesamtheit des Anodenkanals als einziges Steuervolumen erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 3, welches zudem das Empfangen von Informationen, welche die Wasserstoffkonzentration betreffen, direkt von einer Wasserstofftankstelle über eine verdrahtete oder drahtlose Kommunikationseinrichtung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Wasserstoffspülung durchgeführt wird bis die Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal unterhalb des unteren Grenzwertes des Bezugswertes (ε) verringert ist, und wenn die Verunreinigungskonzentration im Anodenkanal unterhalb eines unteren Grenzwertes des Bezugswertes verringert ist, das Wasserstoffspülventil geschlossen wird, um die Wasserstoffspülung zu beenden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei einer hohen Verunreinigungskonzentration im Wasserstofftank oder dem Wasserstoffzuführrohr die Wasserstoffspülzyklen in einem Verhältnis zur Verunreinigungskonzentration im Wasserstofftank oder dem Wasserstoffzuführrohr erhöht wird.
Vorrichtung zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Sensor, welcher direkt in einer Wasserstoffspeichervorrichtung eines Hybridfahrzeugs angeordnet ist und vorgesehen ist, um die Konzentration des Wasserstoffs in einer Wasserstoffspeichervorrichtung zu messen; und eine Steuerung, welche zum Berechnen einer Wasserstoffkonzentration in einem Anodenkanal einer Brennstoffzelle basierend auf der durch den Sensor gemessenen Wasserstoffkonzentration und zum Durchführen einer Spülsteuerung von Gasen im Anodenkanal durch Öffnen eines Ventils vorgesehen ist, wenn die Steuerung berechnet, dass die Wasserstoffkonzentration unterhalb eines Bezugswertes gesunken ist.
Vorrichtung zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung zur Steuerung der Wasserstoffkonzentration in einem Fahrzeug eingebaut ist.