DE102013210991B4

DE102013210991B4 - Pulsierendes Betriebsverfahren und System für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013210991B4
Application number: DE102013210991.1A
Authority: DE
Inventors: Jae Hoon Kim; Yong Sheen Hwang
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2033-06-14
Also published as: JP2014120466A; US9391333B2; KR20140077332A; CN103872356B; US20140170518A1; JP6246501B2; KR101459849B1; DE102013210991A1; CN103872356A

Abstract

Pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das Verfahren aufweisend:Durchführen, durch eine Steuerung, einer Pulsationssteuerung, die eine Größe und eine Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für einen zu einer Anode (12) einer Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff während einer Öffnungsdauer eines mit einem Anodenauslass (16) verbundenen Wasserstoff-Ablassventils (22) steuert, um eine Wasserableitung in der Anode (12) und die Brennstoffausnutzung der Anode (12) beizubehalten,wobei die Pulsationssteuerung durch Wiederholen einer Anzahl N von Pulsationsperioden und einer nichtpulsierenden Periode unter einem konstanten Betriebsdruck zwischen der Anzahl N von Pulsationsperioden durchgeführt wird.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein pulsierendes Betriebsverfahren und System für ein Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das in einer Brennstoffelektrode einer Brennstoffzelle verbliebenes Wasser gleichmäßig abführt und gleichzeitig die Brennstoffausnutzung maximiert.
(b) Stand der Technik
Typischerweise umfassen Brennstoffzellensysteme einen Brennstoffzellenstapel, der Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt, ein Brennstoffversorgungssystem, das Wasserstoff als einen Brennstoff an den Brennstoffzellenstapel zuführt, ein Luftversorgungssystem, das Sauerstoff-enthaltende Luft als ein für die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel erforderliches Oxidationsmittel zuführt, ein Wärme-Management-System (Thermal-Management-System - TMS), das Reaktionswärme von dem Brennstoffzellenstapel zu der Außenseite des Brennstoffzellensystems transportiert, die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert und ein Wasser-Management durchführt.
Die obige Konfiguration und der Betrieb des Brennstoffversorgungssystems in dem Brennstoffzellensystem werden unter Bezugnahme auf 1A beschrieben. Der entlang einer Wasserstoff-Versorgungsleitung 18 von einem Brennstofftank zugeführte Brennstoff wird in eine Brennstoffelektrode (Anode 12) einer Brennstoffzelle durch einen Anodeneinlass 14 der Brennstoffzelle eingeleitet und einer Reaktion unterzogen, um Elektrizität zu erzeugen, und ein Teil des nicht umgesetzten Wasserstoffes wird durch einen Anodenauslass 16 abgeführt.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Betriebsdruck der Anode der Brennstoffzelle unabhängig von der Betriebszeit der Brennstoffzelle wie in 1B dargestellt beibehalten. Darüber hinaus wird ein Teil des nicht umgesetzten Wasserstoffes, der durch einen Anodenauslass 16 abgeführt wird, zu dem Anodeneinlass 14 durch den Betrieb einer Rückführungsvorrichtung 20 (z.B. ein Rückführungs-Gebläsemotor) wieder zugeführt und der verbliebene Wasserstoff strömt durch ein Wasserstoff-Ablassventil 22 zusammen mit Wasser und wird zu der Außenseite abgeführt. Als solches ist die Rückführungsvorrichtung 20 mit dem Anodenauslass 16 der Brennstoffzelle verbunden, so dass der nicht umgesetzte Wasserstoff, der in der Anode 12 verbleibt, zu dem Anodeneinlass 14 wieder zugeführt wird und zum Zwecke der Abgabe von Wasser von der Anode 12 wieder verwendet wird.
Unterdessen wird Wasser durch die Reaktion zum Erzeugen von Elektrizität erzeugt und verbleibt in einem Kanal in der Anode der Brennstoffzelle und das restliche Wasser kann eine Korrosion einer Katalysatorschicht verursachen, die die Anode der Brennstoffzelle bildet. Somit muss das restliche Wasser gleichmäßig abgeführt werden. Demzufolge ist wie in 2A dargestellt, ein separater Pulsationsgenerator 24, der den Betriebsdruck des zu der Anode zugeführten Brennstoffs pulsiert, an einer bestimmten Stelle der Wasserstoff-Versorgungsleitung angebracht.
Wenn der nicht umgesetzte Wasserstoff erneut zu der Anode 12 der Brennstoffzelle durch den Betrieb der Rückführungsvorrichtung 20 zugeführt wird, weist der Wasserstoff, der zu der Anode 12 durch die pulsierende Kraft des Pulsationsgenerators 24 zugeführt wird, eine pulsierende Strömungskraft auf und das in der Anode 12 verbliebene Wasser wird durch die pulsierende Strömungskraft bewegt und in Richtung des Anodenauslasses 16 abgeführt, wodurch somit die Betriebsstabilität des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Genauer gesagt, bevor der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zu der Anode 12 der Brennstoffzelle zugeführt wird, erzeugt der Pulsationsgenerator 24 einen pulsierenden Strömungsdruck (siehe 2B), (d.h., einen Wasserstoff-Versorgungsdruck), der wiederholt zwischen einer oberen Grenze und einer unteren Grenze gesteuert wird, um eine pulsierend Strömungskraft in dem zu der Anode 12 zugeführten Wasserstoff zu erzeugen. Dementsprechend wird das in dem Kanal der Anode 12 der Brennstoffzelle verbliebene Wasser durch die pulsierende Strömungskraft bewegt und in Richtung des Anodenauslasses 16 abgeführt, wodurch somit die Betriebsstabilität des Brennstoffzellensystems verbessert wird und der Ablass-Zyklus des Wasserstoff-Ablassventils zum Ablassen des Wassers erhöht wird.
Daher, wenn der Pulsationsgenerator verwendet wird, erhöht sich die Ablassrate des in dem Kanal der Anode verbliebenen Wassers doppelt so viel im Vergleich zu einem System, das keinen Pulsationsgenerator verwendet, wie dies in 3A dargestellt ist, was ein Überlaufen in der Anode verhindert, wodurch somit die Betriebsstabilität des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Es gibt jedoch die folgenden Nachteile aufgrund einer übermäßigen Pulsation des Pulsationsgenerators.
Erstens wird eine übermäßige Menge an Wasser durch die übermäßige Pulsation des Pulsationsgenerators abgeführt, und somit wird das Wasser in dem Anodenkanal verringert. Das heißt, aufgrund der kontinuierlichen Erzeugung von Pulsationen durch den Pulsationsgenerator nimmt die Ableitung des Wassers in dem Anodenkanal zu, was eine übermäßige Verringerung an Wasser in dem Anodenkanal verursacht, und somit erhöht sich die Menge an flüssigem Wasser (H₂O), das von der Kathode zu der Anode bewegt wird, was die Menge an Wasser in der Kathode verringert, wodurch somit ein Austrocknen in der gesamten die Anode und die Kathode umfassenden Brennstoffzelle verursacht wird, was zu einer Verringerung der Leistung und der Haltbarkeit der Brennstoffzelle führt.
Zweitens, da der Betriebsdruck der Anode kontinuierlich auf dem pulsierenden Druck gehalten wird, nimmt der in der Anode erzeugte Betriebsdruck zu, was die Menge an Brennstoff erhöht, die von der Anode zu der Kathode übergeht. Als ein Ergebnis nimmt der Kraftsoff- (z.B. Wasserstoff) Verbrauch um ungefähr 2,5% im Vergleich zu einem System zu, das keinen Pulsationsgenerator verwendet, wie dies in 3B dargestellt ist, was die Ausnutzung des Brennstoffes verringert, und somit wird die Effizienz des Brennstoffzellensystems durch die Verringerung in der Brennstoffausnutzung verringert.
Zur relativen Steuerung der Welligkeit des entladenen Brennstoffgases und der Welligkeit des zuzuführenden Brennstoffgases und zur effektiven Durchführung verschiedener Steuerungen eines Brennstoffzellensystem, wie z.B. die Entladung von Verunreinigungen, die in einer Brennstoffzelle vorhanden sind, in dem Brennstoffzellensystem, das das von der Brennstoffzelle aufgrund einer nicht-elektrochemischen Reaktion entladene Brennstoffgas wieder der Brennstoffzelle zuführt, kennt man aus der JP 2007 / 035 450 A ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Gaszufuhrkanal versehen ist, durch den ein Brenngas einer Brennstoffzelle von einer Gasversorgungseinrichtung zugeführt wird, einem umlaufenden Gaskanal, der mit dem Gaszufuhrkanal in Verbindung steht und ein Brenngas, das in einem von der Brennstoffzelle abgegebenen Anodenabgas enthalten ist, zu dem Gaszuführkanal führt, und eine Welligkeitssteuerung, die, zwischen dem Brenngas, das durch den Gaszufuhrkanal stromaufwärts von einem Verbindungsabschnitt strömt, an dem der umlaufende Gaskanal mit dem Gaszufuhrkanal in Verbindung steht, und dem Brenngas, das durch den umlaufenden Gaskanal strömt, die Welligkeit mindestens eines der beiden Gase in Abhängigkeit von der Welligkeit des anderen Gases steuert.
Die US 2012 / 0 107 711 A1 offenbart ein Brennstoffzellenkraftwerk, das die Anodengaszufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel durch einen Anodengaszufuhrmechanismus stoppt, wenn ein Anodengasdruck in dem Brennstoffzellenstapel einen oberen Grenzdruck erreicht, und nimmt die Zufuhr des Anodengases durch den Anodengaszufuhrmechanismus wieder auf, wenn der Anodengasdruck in dem Brennstoffzellenstapel auf einen unteren Grenzdruck sinkt. Ein Sensor detektiert, ob eine dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Wasserstoffzufuhrmenge einer erforderlichen Menge entspricht, um eine angestrebte erzeugte Leistung zu erzeugen, und ein Controller korrigiert den unteren Grenzdruck in eine ansteigende Richtung, wenn die Wasserstoffzufuhrmenge nicht der erforderlichen Menge entspricht, wodurch eine Verringerung der erzeugten Leistung des Brennstoffzellenstapels verhindert wird, selbst wenn eine Flutung im Brennstoffzellenstapel stattfindet.
Aus der US 2011 / 0 070 508 A1 kennt man außerdem ein Brennstoffzellensystem mit einem Abgasrohr, durch das Anodenspülgas in die Atmosphäre abgeleitet wird, einem Wärmeträger einen Wärmeträgerkanal, durch den ein Wärmeträger strömt, einer Zirkulationspumpe zum Umwälzen des Wärmeträgers durch den Wärmeträgerkanal, einem in dem Wärmeträgerkanal vorgesehenen Wärmetauscher im Wärmeträgerkanal, einem Wärmetauschergebläse zur Erzeugung eines Luftstroms durch den Wärmetauscher zu erzeugen, und einer Führung, durch die der Luftstrom geführt wird, um das Anodenspülgas zu verteilen. Die Umwälzpumpe und das Wärmetauschergebläse werden während der Anodenspülung so betrieben, dass das Wärmetauschergebläse unabhängig von der Temperatur des Wärmeträgers betrieben wird, und die Durchflussmenge des Wärmeträgers durch den Wärmeträgerkanal gleich Null oder geringer ist als die Durchflussmenge, wenn die Leistung der Brennstoffzelle maximal ist.
Die obigen in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein pulsierendes Betriebsverfahren und ein System für ein Brennstoffzellensystem bereit, in denen eine Pulsationssteuerung durchgeführt wird, die die Größe und die Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für zu einer Anode einer Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoff steuert, um in der Anode verbliebenes Wasser gleichmäßig abzuführen, die Brennstoffausnutzung der Anode zu maximieren und die Betriebsstabilität des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung ein pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit, das Verfahren umfassend ein Durchführen einer Pulsationssteuerung, die die Größe und Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für zu einer Anode einer Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoff während einer Öffnungsdauer eines mit einem Anodenauslass verbundenen Wasserstoff-Ablassventils steuert, um eine Wasserableitung in der Anode und Brennstoffausnutzung der Anode beizubehalten, wobei die Pulsationssteuerung durch Wiederholen einer Anzahl N von Pulsationsperioden und einer nichtpulsierenden Periode unter einem konstanten Betriebsdruck zwischen der Anzahl N von Pulsationsperioden durchgeführt wird.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Pulsationssteuerung durchgeführt, wenn sich die aktuelle Leistung des Brennstoffzellensystems unter einer vorbestimmten Leistung befindet.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Pulsationssteuerung nur dann durchgeführt, wenn sich die aktuelle Leistung unter ungefähr 40% der Maximalleistung des Brennstoffzellensystems befindet.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Pulsationssteuerung während der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils durchgeführt, wobei die Öffnungsdauer von dem Schließen nach einem Brennstoffablass bis zu dem Öffnen für das nächste Ablassen reicht.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird während der Pulsationssteuerung die gesamte Pulsations-Druckaufrechterhaltungszeit für weniger als etwa 70% der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils beibehalten.
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Pulsationssteuerung in einem niedrigeren Leistungsbereich der Brennstoffzelle durchgeführt und nicht in den mittleren und höheren Leistungsbereichen durchgeführt.
Figurenliste
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon ausführlicher beschrieben, welche durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, und welche im Folgenden nur zur Veranschaulichung dienen, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind, und wobei:

1A zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das die Konfiguration eines Brennstoffversorgungssystems eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik darstellt;
1B zeigt einen beispielhaften Graph, der einen Betriebsdruck darstellt, der Brennstoff in dem Brennstoffversorgungssystem in 1A gemäß dem Stand der Technik zuführt;
2A zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das einen in einem Brennstoffversorgungssystem eines Brennstoffzellensystems angeordneten Pulsationsgenerator gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2B zeigt einen beispielhaften Graph, der einen pulsierenden Betriebsdruck durch den Pulsationsgenerator in 2A gemäß dem Stand der Technik darstellt;
3A und 3B zeigen beispielhafte Graphen, die die Wasserablassrate und den Brennstoffverbrauch durch den pulsierenden Betriebsdruck des Pulsationsgenerators gemäß dem Stand der Technik darstellen;
4A bis 4C zeigen beispielhafte Diagramme, die in dem Brennstoffversorgungssystem angeordnete Pulsationsgeneratoren gemäß dem Stand der Technik darstellen;
5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das ein pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das ein pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
7 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm, das ein pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen umfassen eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie dies weiter unten erläutert wird:

12: Anode
14: Anodeneinlass
16: Anodenauslass
18: Wasserstoff-Versorgungsleitung
20: Rückführungsvorrichtung
22: Wasserstoff-Ablassventil
24: Pulsationsgenerator
26: Wasserstoff-Ablassleitung
28: Rückführungsleitung

Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, die der Veranschaulichung der Grundsätze der Erfindung dienen.
Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z.B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorte und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und die Arbeitsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb dem Geist und dem Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
Es ist zu beachten, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. „Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „ungefähr“ verändert.
Unter Bezugnahme auf 2A und 4A sind eine mit einem Anodeneinlass 14 einer Brennstoffzelle verbundene Wasserstoff-Versorgungsleitung 18 und eine mit einem Anodenauslass 16 verbundene Wasserstoff-Ablassleitung 26 mit einer Rückführungsleitung 28 verbunden, und eine Rückführungsvorrichtung 20, die nicht umgesetzten Wasserstoff zurückführt, der von dem Anodenauslass 16 zu einer Anode durch den Anodeneinlass 14 abgeführt wird, ist in der Rückführungsleitung 28 angebracht, um den Wasserablauf zu erleichtern.
Ein separater Pulsationsgenerator 24, der den Betriebsdruck von zu der Anode zugeführtem Brennstoff pulsiert, ist an einer bestimmten Stelle der Wasserstoff-Versorgungsleitung 18 wie in 2A dargestellt, oder an einer bestimmten Stelle der Wasserstoff-Ablassleitung 26 wie in 4A dargestellt angebracht.
Dementsprechend, wenn frischer Wasserstoff von einem Wasserstofftank zu der Anode 12 der Brennstoffzelle zugeführt wird, oder wenn nicht umgesetzter Wasserstoff erneut zu der Anode 12 der Brennstoffzelle durch den Betrieb der Rückführungsvorrichtung 20 zugeführt wird, kann der zu der Anode 12 zugeführte Wasserstoff eine pulsierende Strömungskraft durch die pulsierende Kraft des Pulsationsgenerator 24 aufweisen und das in der Anode 12 verbliebene Wasser kann durch die pulsierende Strömungskraft bewegt werden und in Richtung des Anodenauslasses 16 abgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 4B und 4C kann der Pulsationsgenerator 24 an einer bestimmten Stelle der Wasserstoff-Versorgungsleitung 18 oder der Wasserstoff-Ablassleitung 26 ohne die Rückführungsvorrichtung 20 in der Rückführungsleitung 28 angebracht werden. Insbesondere kann die Rückführungsvorrichtung 20, die durch eine Steuerung ausgeführt wird, eingerichtet sein, um den nicht umgesetzten Wasserstoff zu der Anode 12 als ein Fluid für die Wasserableitung zurückzuführen, und wenn der Pulsationsgenerator 24 separat angeordnet ist, darf die Rückführungsvorrichtung 20 nicht angebracht werden. Das heißt, frischer Wasserstoff von dem Wasserstofftank kann zu der Anode durch den pulsierenden Druck des Pulsationsgenerators 24 zugeführt werden, um die Wasserableitung zu erleichtern, und somit kann die Rückführungsvorrichtung 20 entfernt werden.
Ein pulsierendes Betriebsverfahren der vorliegenden Erfindung, das durch eine Steuerung ausgeführt wird, auf der Grundlage des Pulsationsgenerators, der an einer bestimmten Stelle der Wasserstoff-Versorgungsleitung oder der Wasserstoff-Ablassleitung angebracht ist, unabhängig von der Anbringung der Rückführungsvorrichtung, wird unter Bezugnahme auf 4 bis 6 unten beschrieben.
Wenn der nicht umgesetzte Wasserstoff oder frischer Wasserstoff von dem Wasserstofftank zu der Anode 12 der Brennstoffzelle entlang der Wasserstoff-Versorgungsleitung 18 durch den Betrieb der Rückführungsvorrichtung 20 wie oben beschrieben zugeführt wird, kann eine Pulsationssteuerung, die einen pulsierenden Druck erzeugt, durch den Pulsationsgenerator 24, der durch die Steuerung ausgeführt wird, durchgeführt werden, und somit kann der zu der Anode 12 zugeführte Wasserstoff eine pulsierende Strömungskraft durch den pulsierenden Druck aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Pulsationssteuerung des Pulsationsgenerators durchgeführt werden, um das in der Anode der Brennstoffzelle verbliebene Wasser gleichmäßig abzuführen und die Brennstoffausnutzung zu maximieren. Das heißt, die Pulsationssteuerung der vorliegenden Erfindung kann durchgeführt werden, um die Größe und Dauer des pulsierenden Betriebsdrucks für den zu der Anode der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoff während einer Öffnungsdauer eines mit dem Anodenauslass verbundenen Wasserstoff-Ablassventils zu steuern, wobei die Pulsationssteuerung durchgeführt werden kann, um die Wasserableitung von der Anode und die Brennstoffausnutzung der Anode beizubehalten. Insbesondere bezieht sich die Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils auf eine Öffnungsdauer, die von dem Öffnen des Wasserstoff-Ablassventils nach dem Öffnen, um Wasserstoff zusammen mit Wasser abzuführen, bis zu dem Öffnen des Wasserstoff-Ablassventils für das nächste Ablassen reicht.
In einem Ausführungsbeispiel der Pulsationssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie in 5 dargestellt während der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils eine Anzahl N von Pulsationsperioden, die durch den Pulsationsbetrieb des Pulsationsgenerators beibehalten werden, und eine Nichtpulsationsperiode unter einem konstanten Betriebsdruck, die durch den nichtbetriebenen Pulsationsgenerator beibehalten wird, wiederholt werden.
Darüber hinaus können in der Anzahl N von Pulsationsperioden die Pulsationsdrücke zwischen einer oberen Grenze und einer unteren Grenze durch den Pulsationsgenerator wiederholt werden, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zu der Anode der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, um eine pulsierende Strömungskraft durch den pulsierenden Druck aufzuweisen, bevor der Wasserstoff zu der Anode zugeführt wird. Dementsprechend kann ein Überschuss an in dem Anodenkanal der Brennstoffzelle verbliebenen Wasser durch den Anodenauslass durch die pulsierende Strömungskraft abgeführt werden, was die Wasserableitung erleichtern kann, wodurch somit die Betriebsstabilität des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Darüber hinaus kann im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem der Betriebsdruck der Anode auf einem konstanten Pulsationsdruck gehalten wird, was die Brennstoffausnutzung verringert, die vorliegende Erfindung den Brennstoff-Ablasszyklus und die Öffnungszeit eines Brennstoff-Ablassventils mit der Optimierung der Pulsationssteuerung verbessern, wodurch somit eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und eine Erhöhung der Brennstoffausnutzung (Kraftstoffeffizienz) gewährleistet werden. Insbesondere kann die Pulsations-Druckaufrechterhaltungszeit durch die Anzahl N von Pulsationsperioden für weniger als etwa 70% der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils beibehalten werden, um ein Austrocknen aufgrund einer übermäßigen Wasserableitung von der Anode durch eine übermäßige Pulsation zu verhindern.
Die Pulsationssteuerung der vorliegenden Erfindung kann durchgeführt werden, wenn die aktuelle Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems niedriger als eine vorbestimmte Leistungsabgabe ist. Insbesondere kann wie in 6 dargestellt, die Pulsationssteuerung der vorliegenden Erfindung nur in einem niedrigen Leistungsabgabebereich durchgeführt werden, wo sich die aktuelle Leistungsabgabe unter etwa 40% der maximalen Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems befindet, und kann nicht in mittleren und hohen Leistungsabgabebereichen durchgeführt werden, wo sich die aktuelle Leistungsabgabe über etwa 40% der maximalen Leistung des Brennstoffzellensystems befindet.
Die Pulsationssteuerung der vorliegenden Erfindung kann nur in dem niedrigen Leistungsabgabebereich durchgeführt werden, wo sich die aktuelle Leistungsabgabe unter ungefähr 40% der maximalen Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems befindet, da der Pulsationsbetrieb für die Wasserableitung eliminiert werden kann aufgrund der Menge an Brennstoff (z.B. Wasserstoff), die zugeführt wird, um die Beseitigung von Wasser (flüssiges H₂O) in den mittleren und hohen Leistungsabgabebereichen zu erleichtern, wo sich die aktuelle Leistungsabgabe über ungefähr 40% der maximalen Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems befindet und da, wenn der Pulsationsbetrieb in den mittleren und hohen Leistungsabgabebereichen durchgeführt wird, der Anodendruck erhöht werden kann, was eine Instabilität des Brennstoffzellensystems verursacht.
Weiterhin kann durch die Pulsationssteuerung der vorliegenden Erfindung die Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils verglichen mit den Verfahren des Standes der Technik erhöht werden, die Öffnungszeit des Wasserstoff-Ablassventils kann verringert werden und die Anzahl von Kreisläufen der Rückführungsvorrichtung für die Brennstoffrückführung kann vermindert werden. Mit anderen Worten wird herkömmlicherweise ein konstanter Pulsationsdruck für die Anode vorgesehen, das Wasser wird zusammen mit nicht umgesetztem Wasserstoff übermäßig abgeführt und die Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils muss aufgrund der übermäßigen Wasserableitung vermindert werden. Jedoch kann die vorliegende Erfindung die Größe und Dauer des pulsierenden Betriebsdrucks steuern, und somit kann die Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils erhöht werden und gleichzeitig die Öffnungszeit verringert werden.
Darüber hinaus kann durch die Pulsationssteuerung der vorliegenden Erfindung die Brennstoffausnutzung in der Anode erhöht werden und gleichzeitig kann der Kraftstoffverbrauch verringert werden. Somit kann die Menge an nicht umgesetzten Wasserstoff in der Anode verringert werden, wodurch somit die Menge an Wasserstoff für eine Rückführung und die Anzahl von Kreisläufen der Rückführungsvorrichtung verringert werden, wodurch somit die Haltbarkeit der Rückführungsvorrichtung verbessert wird.
Wie oberhalb beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Wirkungen bereit.
Durch die Pulsationssteuerung, die die Größe und Dauer des pulsierenden Betriebsdrucks für den zu der Anode der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff steuert, die durch Wiederholen einer Anzahl N von Pulsationsperioden und einer Nichtpulsationsperiode unter einem konstanten Betriebsdruck zwischen der Anzahl N von Pulsationsperioden durchgeführt wird, kann in der Anode verbliebenes Wasser gleichmäßig abgeführt werden und gleichzeitig kann die Brennstoffausnutzung der Anode verbessert werden.
Insbesondere kann es im Vergleich zu den bestehenden Pulsationsbetriebsverfahren möglich sein, die Brennstoffausnutzung (d.h., Kraftstoffeffizienz) der Brennstoffzelle durch eine Verringerung des Brennstoff- (z.B. Wasserstoff) Verbrauchs zu verbessern, wodurch somit die Betriebsstabilität des Brennstoffzellensystems verbessert wird. Darüber hinaus kann es möglich sein, eine Erhöhung der Menge an von der Anode zu der Kathode übergegangenen Wasserstoff und ein Austrocknen der Anode aufgrund einer übermäßigen Pulsation zu verhindern. Weiterhin kann es möglich sein, den Brennstoff-Ablasszyklus und die Öffnungszeit des Brennstoff-Ablassventils mit der Optimierung der Pulsationssteuerung zu optimieren, wodurch somit eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs und eine Erhöhung der Brennstoffausnutzung (Kraftstoffeffizienz) gewährleistet werden.

Claims

Pulsierendes Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das Verfahren aufweisend: Durchführen, durch eine Steuerung, einer Pulsationssteuerung, die eine Größe und eine Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für einen zu einer Anode (12) einer Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff während einer Öffnungsdauer eines mit einem Anodenauslass (16) verbundenen Wasserstoff-Ablassventils (22) steuert, um eine Wasserableitung in der Anode (12) und die Brennstoffausnutzung der Anode (12) beizubehalten, wobei die Pulsationssteuerung durch Wiederholen einer Anzahl N von Pulsationsperioden und einer nichtpulsierenden Periode unter einem konstanten Betriebsdruck zwischen der Anzahl N von Pulsationsperioden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsationssteuerung durchgeführt wird, wenn sich eine aktuelle Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems unter einer vorbestimmten Leistungsabgabe befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsationssteuerung nur durchgeführt wird, wenn sich die aktuelle Leistungsabgabe unter ungefähr 40% der maximalen Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsationssteuerung während der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils (22) durchgeführt wird und die Öffnungsdauer von dem Schließen nach einer Brennstoffabgabe bis zu dem Öffnen für das nächste Ablassen reicht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei während der Pulsationssteuerung das Verfahren ferner aufweist: Beibehalten, durch die Steuerung, der gesamten Pulsations-Druckaufrechterhaltungszeit für weniger als ungefähr 70% der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils (22).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsationssteuerung in einem niedrigen Leistungsabgabebereich der Brennstoffzelle durchgeführt wird und in mittleren und hohen Leistungsbereichen nicht durchgeführt wird.
System, das einen pulsierenden Betrieb für ein Brennstoffzellensystem durchführt, das System aufweisend: eine Steuerung, die eingerichtet ist, um: eine Pulsationssteuerung durchzuführen, die eine Grö-ße und eine Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für einen zu einer Anode (12) einer Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff während einer Öffnungsdauer eines mit einem Anodenauslass (16) verbundenen Wasserstoff-Ablassventils (22) steuert, um eine Wasserableitung in der Anode (12) und die Brennstoffausnutzung der Anode (12) beizubehalten, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Pulsationssteuerung durch Wiederholen einer Anzahl N von Pulsationsperioden und einer nichtpulsierenden Periode unter einem konstanten Betriebsdruck zwischen der Anzahl N von Pulsationsperioden durchzuführen.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Pulsationssteuerung durchzuführen, wenn sich eine aktuelle Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems unter einer vorbestimmten Leistungsabgabe befindet.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Pulsationssteuerung nur durchzuführen, wenn sich die aktuelle Leistungsabgabe unter ungefähr 40% der maximalen Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems befindet.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Pulsationssteuerung während der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils (22) durchzuführen und die Öffnungsdauer von dem Schließen nach einer Brennstoffabgabe bis zu dem Öffnen für die nächste Abgabe reicht.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung ferner eingerichtet ist, um: die gesamte Pulsations-Druckaufrechterhaltungszeit für weniger als ungefähr 70% der Öffnungsdauer des Wasserstoff-Ablassventils (22) beizubehalten.
System nach Anspruch 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um die Pulsationssteuerung in einem niedrigen Leistungsabgabebereich der Brennstoffzelle durchzuführen und in mittleren und hohen Leistungsbereichen nicht durchzuführen.
Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor oder eine Steuerung ausgeführt werden, das computerlesbare Medium aufweisend: Programmbefehle, die eine Pulsationssteuerung durchführen, die eine Größe und eine Dauer eines pulsierenden Betriebsdrucks für einen zu einer Anode (12) einer Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff während einer Öffnungsdauer eines mit einem Anodenauslass (16) verbundenen Wasserstoff-Ablassventils (22) steuert, um eine Wasserableitung in der Anode (12) und die Brennstoffausnutzung der Anode (12) beizubehalten, wobei Programmbefehle die Pulsationssteuerung durch Wiederholen einer Anzahl N von Pulsationsperioden und einer nichtpulsierenden Periode unter einem konstanten Betriebsdruck zwischen der Anzahl N von Pulsationsperioden durchführen.
Nichtflüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 13, wobei die Programmbefehle die Pulsationssteuerung durchführen, wenn sich eine aktuelle Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems unter einer vorbestimmten Leistungsabgabe befindet.
Nichtflüchtiges computerlesbares Medium nach Anspruch 13, wobei Programmbefehle die Pulsationssteuerung nur durchführen, wenn sich die aktuelle Leistungsabgabe unter ungefähr 40% der maximalen Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems befindet.