DE102016110250A1

DE102016110250A1 - Abschaltverfahren für einen Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellensystem dafür

Info

Publication number: DE102016110250A1
Application number: DE102016110250.4A
Authority: DE
Inventors: Manish Sinha; Michael Cartwright; Asao Uenodai; Pinkhas A. Rapaport
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-06-18
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: US10439239B2; DE102016110250B4; US20160372767A1; JP6133473B2; JP2017010927A

Abstract

Brennstoffzellenstapel, Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels und Brennstoffzellensystem. Bei einer besonderen Form betrifft ein Abschalten des Stapels bei Detektion einer Leckage vom Brennstoff entweder in dem Stapel oder von dem Stapel eine Druckminderung und einen gleichförmigen Verbrauch von Wasserstoff durch katalytischen Verbrauch in der Kathode aller Zellen. Ein Verbrauch des Sauerstoffs in dem Kathodenabschnitt des Stapels durch chemische Reaktion wirkt der verbleibende nicht reagierte Stickstoff aus der Luft als ein inertisierendes Fluid. Nachdem eine Angabe einer Reaktionsbeendigung gemacht ist, wird zumindest ein Teil des inertisierenden Fluides von dem Kathodenabschnitt zu dem Anodenabschnitt gefördert. Eines oder mehrere von einem Ablassventil, einem Gegendruckventil und einem Bypassventil werden betätigt, um die Druckminderung des Anodenabschnitts, Inertisierung des Kathodenabschnitts und anschließende Förderung des inertisierenden Fluides an den Stapelanodenabschnitt zu unterstützen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels und eines Brennstoffzellensystems dafür und insbesondere ein derartiges Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels, wenn ein großes Reaktandenleck detektiert worden ist.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff in nutzbare Energie über chemische Reaktion um. Ein signifikanter Vorteil für ein derartiges Energie erzeugendes Mittel besteht darin, dass es erreicht wird, ohne sich auf eine Verbrennung als einen Zwischenschritt zu verlassen. Somit besitzen Brennstoffzellen verschiedene Umweltvorteile gegenüber Brennstoffkraftmaschinen (ICEs) und damit in Verbindung stehenden Leistung erzeugenden Quellen zum Antrieb und verwandte Vortriebsanwendungen. Bei einer typischen Brennstoffzelle – wie einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran oder Polymerelektrolytmembran (in jedem Fall PEM) – ist ein Paar katalysierter Elektroden durch ein ionendurchlässiges Medium (wie Nafion^TM) durch eine Vorrichtung getrennt, die üblicherweise als eine Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet ist. Die elektrochemische Reaktion findet statt, wenn ein erster Reaktand in der Form eines gasförmigen Reduktionsmittels (wie Wasserstoff, H₂) in die Anode eingeführt und ionisiert wird und dann durch das ionendurchlässige Medium geleitet wird, so dass es sich mit einem zweiten Reaktanden in der Form eines gasförmigen Oxidationsmittels (wie Sauerstoff, O₂) kombiniert, das durch die andere Elektrode (die Kathode) eingeführt worden ist; diese Kombination von Reaktanden bildet Wasser als ein Nebenprodukt. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des ersten Reaktanden freigesetzt wurden, fließen in der Form von Gleichstrom (DC) zu der Kathode über eine externe Schaltung, die typischerweise eine Last aufweist (wie einen Elektromotor, wie auch verschiedene Pumpen, Ventile, Verdichter oder andere Fluidlieferkomponenten), wo Nutzarbeit verrichtet werden kann. Die Leistungserzeugung, die durch diesen Fluss von DC-Elektrizität erzeugt wird, kann durch Kombination zahlreicher derartiger Zellen in eine größere Strom erzeugende Baugruppe erhöht werden. Bei einer derartigen Konstruktion sind die Brennstoffzellen entlang einer gemeinsamen Stapelabmessung – ähnlich einem Kartenstapel – verbunden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Eine Form eines Ausfalls von Brennstoffzellenkomponenten betrifft eine Membranausdünnung und ein schließliches Reißen, während andere ein Dichtungsversagen betreffen; beide von diesen sind bei Bedingungen am Lebensdauerende des Stapels üblich. Ein derartiger Ausfall kann zu einer Leckage im Allgemeinen und insbesondere zu der großen und unbeabsichtigten Übertragung von H₂ von dem Anodenabschnitt, der Anodenseite oder dem Anodenteilsystem in dem Stapel zu entweder dem Kathodenabschnitt, der Kathodenseite oder dem Kathodenteilsystem oder insgesamt über Bord führen. Von diesen ist es von besonderem Belang, wenn eine derartige Leckage zu einer hohen H₂-Konzentration in der Anwesenheit von Luft in dem Kathodenabschnitt der Zelle oder des Stapels führt.
Eine Abhilfevorgehensweise besteht darin, den Stapel kontinuierlich normal zu betreiben, wobei die Leckageströmung durch Einführen zusätzlicher Verdünnungsluft in das System berücksichtigt wird. Es existieren Grenzen hinsichtlich der Wirksamkeit einer derartigen Vorgehensweise insbesondere für größere Leckagen, da die Größe der Leckage die Kapazität des Systems zur Lieferung voller Verdünnungsluft überschreiten kann. Eine andere, derzeit verwendete Abhilfemaßnahme für einen derartigen drastischen Ausfall ist als ein ”Schnellstopp” bekannt, bei dem die H₂-Versorgung zusammen mit einem Ausrücken der Last (beispielsweise eines Elektromotors oder dergleichen) von dem Stapel abgeschaltet wird, während H₂ in der Anode belassen wird. Typischerweise besteht ein signifikanter Nachteil mit der Schnellstoppvorgehensweise darin, dass sie das H₂ in dem Stapel zurücklässt, nachdem das Leck detektiert worden ist. Überdies ist eine derartige Vorgehensweise nur geeignet, wenn die Abgasemissionen eine gewisse Schwelle (beispielsweise 8%) überschreiten, wenn volle Verdünnungsluft berücksichtigt ist. Obwohl diese Vorgehensweise für viele Ausfallmoden (wie Reaktandenverarmung) gut sein kann, um die Stapellebensdauer zu verlängern, ist ihre Wirksamkeit stark eingeschränkt, nachdem ein großes Leck zwischen den Anoden- und Kathodenströmungspfaden aufgetreten ist. Signifikanterweise arbeiten die meisten Brennstoffzellensysteme so, dass der anodenseitige Druck des Stapels gegenüber dem der Kathodenseite vorgespannt ist (oftmals zwischen grob 1,5 psi (10 kPa) und 3 psi (20 kPa)); in solchen Fällen würde ein großes Leck zu einer signifikanten H₂-Strömung in (und begleitenden erhöhten Konzentration von) einer stark lokalen Stelle in der O₂-haltigen Kathodenseite des Stapels führen. Somit ist es in dem Ausmaß, dass die Schnellstoppvorgehensweise bei gewissen Betriebsbedingungen verwendet werden kann, nicht geeignet, einen Betrieb des Brennstoffzellensystems als einen Weg zum Schutz gegen das Verderben von Brennstoff (d. h. H₂) durch die Luft-(d. h. O₂-)Seite oder das Luftteilsystems nach der Bildung eines großen Lecks geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels offenbart, um zu helfen, überschüssiges H₂ in dem Brennstoffzellenstapel in dem Fall zu beseitigen, dass ein Leck detektiert ist. Innerhalb des vorliegenden Kontexts ist der Stapel aus zahlreichen Brennstoffzellen aufgebaut, von denen jede einen Anoden- und Kathodenabschnitt mit jeweiligen Reaktanden fördernden Strömungspfaden wie auch einen protonendurchlässigen Elektrolyt aufweist, der zwischen den Anoden und den Kathodenabschnitten angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ein Detektieren einer Leckage in dem Stapel, ein Reduzieren des Drucks in dem Anodenabschnitt, ein Betätigen eines oder mehrerer Ventile, die fluidtechnisch mit ihren jeweiligen Anoden- und Kathodenströmungspfaden zusammenwirken, um die Reaktanden der Brennstoff- und Sauerstoffquelle miteinander zu reagieren, so dass eine Inertisierung des Kathodenabschnitts mit dem restlichen nicht reagierten Fluid (d. h. Stickstoff, N₂) von der Sauerstoffquelle stattfindet, wobei danach das inertisierende Fluid an den Anodenabschnitt gefördert ist. In dem vorliegenden Kontext sind einige dieser Ventile zur Anordnung in einem jeweiligen Strömungspfad bestimmt, wenn sie entweder (a) physikalisch in dem Strömungspfad vorhanden sind oder (b) fluidtechnisch mit dem Strömungspfad zusammenwirken, so dass ihr Öffnen oder Schließen verwendet werden kann, eine Änderung des Fluidtransports durch den verbundenen Strömungspfad zu beeinflussen. Die Erfinder nehmen an, dass ein Verbrauch beider Reaktanden (im Gegensatz zu lediglich einem) überlegen ist, da ein Ausfall zur Entfernung von überschüssigem H₂ (sogar in kleinen Mengen, wie 0,2 mol) immer noch etwa 50 kJ an Restenergie zurücklassen kann, die – falls lokal über Leckage angeordnet – unakzeptabel hohe Niveaus an Zellentemperaturzunahmen erzeugen. Bei einer Form ist die vorbestimmte Spannung ein Schwellenbetrag, der notwendig ist, einen elektrischen Strom an eine oder mehrere parasitäre Lasten zu liefern, die ihre Leistung von dem in dem Stapel erzeugten Strom ableiten.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Betriebs eines Brennstoffzellenstapels bei Detektion eines Reaktandenlecks offenbart. Das Verfahren umfasst ein Konfigurieren des Stapels, so dass er zahlreiche Brennstoffzellen aufweist, von denen jede einen Anodenabschnitt, der eine Anode und einen Anodenströmungspfad definiert, die mit einer ersten Reaktandenquelle zusammenwirken, einen Kathodenabschnitt, der eine Kathode und einen Kathodenströmungspfad definiert, die mit einer zweiten Reaktandenquelle zusammenwirken, sowie einen protonendurchlässigen Elektrolyt definiert, der zwischen dem Anodenabschnitt und dem Kathodenabschnitt angeordnet ist. Ein Controller wirkt mit dem Stapel zusammen, um eine Strömungsbetätigung in dem Stapel bereitzustellen, so dass, sobald ein Leck detektiert ist, der Controller ein oder mehrere Signale empfängt, die der Leckdetektion entsprechen, so dass er den Druck in dem Anodenabschnitt durch Abschalten einer Lieferung des ersten Reaktanden an die Anode, und Betätigen eines ersten Ventils, das fluidtechnisch in dem Anodenströmungspfad angeordnet ist, und eines zweiten Ventils, das fluidtechnisch in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist, reduzieren kann, nachdem er eine Konzentration eines inertisierenden Fluides den Kathodenströmungspfad durch weiteres Betätigen eines oder beider des ersten und zweiten Ventils erhöhen kann, um einen Verbrauch von zumindest einem Abschnitt des ersten und zweiten Reaktanden in dem Kathodenabschnitt zu unterstützen, bis zumindest eines aus (a) einer Anschlussspannung oder (b) einem Anodenabschnittsdruck unterhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt. Dies ermöglicht seinerseits, dass zumindest ein Anteil des inertisierenden Fluides von dem Kathodenabschnitt an den Anodenabschnitt übertragen wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das aus einem Brennstoffzellenstapel, zahlreichen Strömungssteuerventilen, zumindest einer Last und einem Controller besteht, die mit zumindest einem von dem Stapel, den Strömungssteuerventilen und der Last zusammenwirken, so dass er Abschaltanweisungen in Ansprechen auf eine in dem Stapel festgestellte Leckagebedingung bereitstellt. Der Controller ist so konfiguriert, Daten zu empfangen, die einem Hinweis auf die Leckagebedingung entsprechen, wie auch einen Betrieb eines oder mehrerer Ventile, der Last oder des Stapels zu betätigen, um zumindest einen Teil des Anodenabschnitts des Stapels druckzumindern, die Anwesenheit von zumindest einem der H₂- und O₂-Reaktanden in zumindest einem Teil des Kathodenabschnitts des Stapels abzureichern, so dass die Konzentration des restlichen nicht reagierten N₂ zunimmt, um eine Beendigung einer weiteren reaktiven Aktivität in dem Kathodenabschnitt zu bewirken, wobei danach das N₂, das von der Abreicherung der H₂- und O₂-Reaktanden an dem Kathodenabschnitt zurückbleibt, verwendet werden kann, um zumindest einen Teil des Anodenabschnitts im Wesentlichen rückzufüllen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Brennstoffzellensystem einen Controller auf, der so konfiguriert ist, einen oder mehrere arbeitende Brennstoffzellenstapel abzuschalten, wenn er ein großes abruptes Leck zwischen den Anoden- und Kathodenströmungspfaden des Stapels detektiert; wie an anderer Stelle diskutiert ist, kann eine derartige Steuerung ein Senden von Signalen an andere Komponenten eines Brennstoffzellensystems betreffen, um sequentiell (a) einen Druck in zumindest einem Abschnitt der Anode zu reduzieren, (b) das inertisierende Fluid zu verwenden, das aus der chemischen Reaktion der beiden Reaktanden in der Kathode zurückbleibt, um jegliche weitere elektrochemischen Aktivität in der Kathode im Wesentlichen zu beenden, und (c) zumindest einen Abschnitt der Anode mit zumindest einigem des inertisierenden Fluides zu füllen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in welchen gleicher Aufbau mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet ist und wobei die verschiedenen Komponenten der Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind:
1A zeigt ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das für eine Kraftfahrzeuganwendung konfiguriert ist;
1B zeigt eine vertikale Schnittansicht einer vereinfachten repräsentativen Brennstoffzelle von dem System von 1A;
2A zeigt ein Blockschaltungsdiagramm, das eine erste Ausführungsform der Anordnung eines anodenseitigen Ablassventils und eines kathodenseitigen Gegendruckventils zeigt, die verwendet werden, um zu helfen, Abschaltbetriebsabläufe des Systems von 1A auszuführen;
2B zeigt eine Ausführungsform des Blockschaltungsdiagramms von 2A, bei dem das anodenseitige Ablassventil mit einem kathodenseitigen Auslass verbunden ist;
3A zeigt eine Detailansicht einer fiktiven Druckzeitkurve, die durch Verwendung der Leckageabschaltstrategie der vorliegenden Erfindung auftritt; und
3B zeigt eine detaillierte Ansicht einer fiktiven Spannungszeitkurve, die durch Verwendung der Leckageabschaltstrategie der vorliegenden Erfindung vorkommt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst Bezug nehmend auf die 1A und 1B sind ein Blockdiagramm eines fiktiven Brennstoffzellensystems (1A), wie auch eine einzelne Brennstoffzelle (1B) gezeigt. Ein mobiles Brennstoffzellensystem 1 – das gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrieben werden kann – umfasst ein Reaktandenliefersystem 100 (bestehend aus einer Brennstoffquelle 110 (d. h. einer Quelle 110 für einen ersten Reaktanden) (wie einen Wasserstofftank) sowie eine Sauerstoffquelle 120 (d. h. eine Quelle 120 für zweiten Reaktand) (bei einer bevorzugten Form Umgebungsluft), einen Brennstoffzellenstapel 200 und eine Last in der Form einer elektrischen Batterie oder eines Motors 300, einen Antriebsstrang 400 und eine oder mehrere Antriebsvorrichtungen 500, wobei die letzten fiktiv als ein Rad gezeigt sind. Bei Konfigurationen, bei denen die Last 300 ein Motor ist, wird sie verwendet, um den elektrischen Strom, der von dem Stapel 200 kommt, in mechanische Leistung umzuwandeln, wie eine Leistung einer rotierenden Welle, die verwendet werden kann, den Antriebsstrang 400 und die Räder 500 auf eine Weise zu betreiben, die dem Fachmann bekannt ist. Eine zusätzliche Last 600, wie insbesondere in 1B gezeigt ist, kann in der Form eines Stapelentladewiderstandes vorliegen, wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist. Innerhalb des Stapels 200 sind zahlreiche einzelne Brennstoffzellen 210 seriell verschaltet. Wie zu sehen ist, wird die Lieferung der Reaktanden – wie auch der von Zusatzfluiden, wie denen, die zum Kühlen oder anderer Wärmeübertragung verwendet sind – bevorzugt durch dedizierte Kreisläufe erreicht, die geeignet konfigurierte Leitungen 130 und entsprechende Pumpen 140 und Ventile 150 aufweisen. Es sei dem Fachmann bekannt, dass die Pumpen 140 optional bei Konfigurationen sein können, bei denen die von ihrer jeweiligen Quelle stammenden Reaktanden bereits in druckbeaufschlagter Form vorliegen, und dass jede Variante innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Obwohl es nicht gezeigt ist, sind andere Brennstoffliefer- und Brennstoffverarbeitungssysteme zur Verwendung mit dem System 1 verfügbar. Beispielsweise können zusätzlich zu einer Brennstoffquelle 110 und Sauerstoffquelle 120 eine Wasserquelle (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die (unter anderem) zur Kühlung des Stapels 200 verwendet werden kann.
Der von den Brennstoffzellen 210 des Stapels 200 erzeugte elektrische Strom kann zur Lieferung von Leistung an die Pumpen 140 und verwandte Ausstattung wie auch für Komfortvorrichtungen (wie Klimaanlagen, Heizungen, Scheibenentfroster, elektrische Sitze) oder dergleichen verwendet werden. Ferner sei, während das vorliegende System 1 für mobile (wie Fahrzeug-)Anwendungen gezeigt ist, dem Fachmann angemerkt, dass die Verwendung der Brennstoffzellen 210, ihrer jeweiligen Stapel 200 und der Zusatzausstattung gleichermaßen auf stationäre Anwendungen anwendbar ist. In dem vorliegenden Kontext ist die Stapelzusatzausstattung diejenige, die verwendet wird, um den Betrieb des Anlagenrestes (BOP) bereitzustellen, und kann die parasitären Vorrichtungen, wie hier verwendet ist, wie auch andere Komponenten umfassen, die ihre Quelle elektrischen Stromes von dem Stapel 200 ableiten. Bei einem Teil des Abschaltens des Stapels 200 auf eine Weise gemäß der vorliegenden Offenbarung wird der von dem Stapel 200 gelieferte elektrische Strom bevorzugt auf ein Niveau reduziert, das im Wesentlichen mit einem Betrag übereinstimmt, der notwendig ist, um eine derartige Zusatzausstattung zu betreiben.
Verfahren und Systeme gemäß der Erfindung können durch einen computerbasierten Controller 160 (auch als programmierbare Steuervorrichtung oder Steuereinheit bezeichnet) ausgeführt werden, die in der Lage ist, Anweisungen auszuführen, die in ein oder mehrere Programmmodule organisiert sind, die aus dedizierten Hardwarevorrichtungen und entsprechender Software bestehen. Anweisungen zum Implementieren einer der Funktionen zur Betätigung des Systems 1 gemäß der Erfindung (wie Öffnen und Schließen von Ventilen, Ein- oder Ausschalten von Pumpen oder Verdichtern (wie Beschleunigen oder Verlangsamen derselben), Liefern erfasster Daten und Diagnosefunktionsinformationen) können konkret in geeignet konfigurierte Ausführungsformen der verschiedenen Vorrichtungen oder Komponenten ausgeführt sein, die den Controller 160 ausmachen, einschließlich einer Anordnung an einem Speicherabschnitt davon. Bezug nehmend insbesondere auf 1A zeigen die Verbindungen, die zwischen dem Controller 160 und den verschiedenen Komponenten gezeigt sind, die das Brennstoffzellensystem 1 ausmachen, dass ein Betrieb durch Anweisungen, die von dem Controller 160 empfangen werden, geändert werden kann.
Bei einer bevorzugten Form ist der Controller 160 als eine automatisierte Datenverarbeitungsausstattung konfiguriert, wie diejenige, die einem Digitalcomputer zugeordnet ist. In einem solchen Fall weist eine bevorzugte Form eines oder mehrere aus einem Eingang, einem Ausgang, einer Verarbeitungseinheit (oftmals als eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) bezeichnet) und Speicher, der temporär oder dauerhaft einen Code, Programm, Algorithmus in dem Speicher des Controllers 160 speichern kann, so dass Anweisungen, die in dem Code enthalten sind, durch die Verarbeitende Einheit basierend auf Eingangsdaten betätigt werden können, so dass Ausgangsdaten von dem Code erzeugt werden können, und die Verarbeitungseinheit an ein anderes Programm oder einen Nutzer über einen Ausgang übertragen werden kann. Somit ist der Controller 160 besonders angepasst, um zumindest einige der Datensammlung, Betätigung oder verwandten Berechnungsfunktionen auszuführen, die notwendig sind, um ein promptes effizientes Abschalten des Systems 1 in dem Falle bereitzustellen, dass das geeignete Auslösen einer Leckagebedingung detektiert ist. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die computerausführbaren Anweisungen, die die Berechnungen darstellen, die in dieser Offenbarung an anderer Stelle diskutiert sind, innerhalb einer geeigneten Stelle (für den vorher erwähnten Speicher) innerhalb des Controllers 160 angeordnet sein können, um die Aufgaben zu erreichen, die in der vorliegenden Erfindung dargestellt sind.
Bei einer besonderen Form der computerlesbare Programmcode, der die Algorithmen und Formulare enthält, die notwendig sind, um die Erfassungs- und Steuerfunktionen auszuführen, die oben dargestellt sind, in geeignete Abschnitte des Speichers des Controllers 160 geladen sein. Derartiger computerlesbarer Programmcode kann auch als Teil eines Herstellgegenstandes gebildet sein, so dass die Anweisungen, die in dem Code enthalten sind, an einer magnetisch lesbaren und optisch lesbaren Scheibe oder einem anderen damit in Verbindung stehenden nicht transistorischen maschinenlesbaren Medium angeordnet sind, wie einer Flash-Memory-Vorrichtung, CDs, DVDs, EEPROSMs, Floppy Disks oder einem anderen derartigen Medium, das in der Lage ist, maschinenausführbare Anweisungen und Datenstrukturen zu speichern. Ein derartiges Medium kann auch ein Controller 160 und eine andere elektronische Vorrichtung zugegriffen werden, die eine Verarbeitungseinheit aufweist, die zum Interpretieren von Anweisungen von dem computerlesbaren Programmcode verwendet sind. Gemeinsam definieren der Prozessor und Programmcode, der zur Ausführung durch den Prozessor konfiguriert ist, ein Mittel, um eine oder mehrere der Steuerfunktionen, die hier diskutiert sind, auszuführen. Wie dem Fachmann in der Computertechnik bekannt ist, kann der Controller 160 zusätzliche Chipsätze wie auch einen Bus und verwandte Verdrahtung zum Übertragen von Daten und verwandter Information zwischen seiner Verarbeitungseinheit und anderen internen Vorrichtungen (wie dem vorher erwähnten Eingang, Ausgang und Speichervorrichtungen) und externen Vorrichtungen (wie dem Stapel 200 und seiner Zusatzausstattung) aufweisen. Wenn das Programmcodemittel in den Raum geladen ist, wird der Controller 160 des Systems 1 eine einem spezifischen Zweck dienende Maschine, die so konfiguriert ist, richtige Abschaltsequenzen in der hier beschriebenen Weise zu bestimmen.
Wie besonders in 1B gezeigt ist, sind Details jeder Brennstoffzelle 210 gezeigt. Die Zelle 210 weist Abschnitte auf, die Elektroden entsprechen, insbesondere eine Anode 220, eine Kathode 230 und eine Elektrolytschicht 240, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Die jeweiligen Wasserstoff- und Sauerstoffkanäle 226, 236, die verwendet werden, um die Reaktanden in und aus der Zelle 210 zu liefern, sind ebenfalls gezeigt. In dem vorliegenden Kontext wird der Begriff ”Abschnitt” verwendet, um entweder diejenigen Teile des gesamten Brennstoffzellenstapels 200 oder diejenigen der einzelnen Zellen 210 in dem Stapel 200 zu beschreiben. Somit ist beabsichtigt, dass eine Leckage, die in dem Abschnitt der Anode 220 einer der Zellen 210 oder dem Stapel 200 auftritt, diejenigen Umstände abdeckt, bei denen der Reaktand, der in den Abschnitt der Anode 220 der Zelle 210 oder des Stapels 200 eingeführt wird, entweicht und anschließend an einen Abschnitt der Kathode 230 der jeweiligen Zelle 210 oder des Stapels 200 geliefert wird, und dieser Kontext macht es klar, an welcher der einzelnen Zelle 210 oder des gesamten Stapels 200 eine Leckage auftritt. Ungeachtet dessen ist jede Variante als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zu betrachten.
Die Anode 220 weist ein Elektrodensubstrat 222 und eine Katalysatorschicht 224 auf, die fluidtechnisch zu dem Wasserstoffkanal 226 freiliegen. Gleichermaßen weist die Kathode 230 ein Elektrodensubstrat 232 und eine Katalysatorschicht 234 auf, die fluidtechnisch mit dem Sauerstoffkanal 236 verbunden sind. Beide Kanäle 226, 236 bilden den Teil eines Anodenströmungspfades und Kathodenströmungspfades (beide sind nachfolgend beschrieben), die die geeigneten Reaktanden zu und von ihren jeweiligen Abschnitten der jeweiligen Anode 220 und Kathode 230 fördern. Bevorzugt sind die Elektrodensubstrate 222, 232 porös, um eine Diffusion von Wasserstoff und Sauerstoff wie auch die Strömung von Wasser zu ermöglichen, das sich infolge der Reaktion von Brennstoff und Sauerstoff bildet. Die Elektrolytschicht 240, die derzeit in der Form einer Protonenaustauschmembran gezeigt ist, ermöglicht eine Strömung des ionisierten Wasserstoffs von der Anode 220 zu der Kathode 230, während der Durchgang von elektrischem Strom hindurch gehemmt ist.
Während transienter Brennstoffzellenbetriebsabläufe, insbesondere beim Start und Abschalten (wobei das letztere davon nachfolgend detaillierter diskutiert ist) kann die Anwesenheit von Wasserstoff-Luft-Schnittstellen an anderen Bedingungen zu übermäßigen Spannungspotentialen führen, die die Lebensdauer der Katalysatorschichten 234 verkürzen können; um den Einfluss derartiger Bedingungen zu verhindern oder zu minimieren, kann eine inertisierende oder spülende Ausstattung (wie nachfolgend detaillierter diskutiert ist) in dem System 1 enthalten sein. Spannungspegel (hier auch als Anschlussspannung bezeichnet), die eine wesentliche Elektrodeninertisierung angeben würden, liegen bevorzugt unterhalb 0,5 Volt und am bevorzugtesten unterhalb 0,4 Volt.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 2A und 2B zeigen zwei Blockschaltungsdiagramme alternative Ausführungsformen der Wechselwirkung der Anoden- und Kathodenströmungspfade, die durch die Abschaltbetriebsabläufe der vorliegenden Erfindung an dem System von 1A stattfindet. Insbesondere Bezug nehmend auf 2A ist eine Platzierung eines Anodenablassventils 150 _A und eines Kathodengegendruckventils 150 _C (auch als Abgasventil bezeichnet) relativ zu dem Stapel 200 und der Leitung 130 gezeigt. Diese beiden Ventile können dazu verwendet werden, zu helfen, dass das System 1 einen Abschaltbetriebsablauf in dem Fall ausführt, wenn ein Leck L detektiert ist, wobei ein Gegendruckventil 150 _C ebenfalls verwendet ist, um Kathodenreaktanden von dem Stapel 200 auszutragen. Zusätzliche Ventile (wie ein Bypassventil, nicht gezeigt), können verwendet werden, um Sauerstoff als einen Weg einzuführen, den Wasserstoff zu verdünnen, der in dem Abschnitt der Kathode 230 des Stapels 200 zur katalytischen Erwärmung zurückbleibt, um zu helfen, die Emissionen von dem Stapel 200 während des Aufwärmens zu reduzieren, wie auch zur Spannungsunterdrückung, um eine Lastsynchronisation des Stapels 200 zu unterstützen. Andere Ventile (wie ein Bypassventil, nicht gezeigt) können ebenfalls enthalten sein, um einen verbesserten Betrieb des Systems 1 zu unterstützen.
Zusätzlich zu einer detektierten Wasserstoffleckage können die Eingangsparameter, von denen die Kooperation der Ablass- und Gegendruckventile 150 _A, 150 _C abhängt, verschiedene Temperatur-, Druck- und Sollwertbedingungen aufweisen. Diese und andere Parameter (wie diejenigen, die mit aktivierenden oder deaktivierenden Funktionen des Controllers 160 in Verbindung stehen), können von dem Controller 160 verwendet werden, um den Betrieb des Systems 1 zu variieren. Ferner sei, obwohl der größte Teil der Steuerlogik, wie hier beschrieben ist, eine Steuerung über die Ventile 150 (im Allgemeinen) und das Anodenablassventil 150 _A und Kathodengegendruckventil 150 _C (im Besonderen), wie auch ihre jeweiligen Pumpen 140 ist, angemerkt, dass eine zusätzliche Steuerlogik verwendet werden kann, um eine Steuerung während normaler Perioden des Betriebs des Stabes 200 zu bewirken. Das Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen oder mehrere Sensoren S auf, die die Charakteristiken des Gases darin messen; bei einer Form können diese Sensoren S in der Form von Gas – insbesondere H₂ – Detektionssensoren vorliegen, die in Signal- oder Fluidkommunikation mit dem Stapel 200 angeordnet sind, um einen Hinweis auf ein großes abruptes Leck innerhalb anzugeben, wie auch in Signalkommunikation mit dem Controller 160 stehen, um das entsprechende Leckagesignal an den Controller 160 zu liefern. Bei einer Form kann ein derartiger Sensor S an einem geeigneten benachbarten Ort platziert sein, um ein Überbordleck von dem Stapel 200 zu detektieren. Dem Fachmann sei angemerkt, dass diese und andere Sensoren S Eingangssignale bereitstellen können, auf die durch die algorithmische Steuerstrategie eingewirkt werden kann, die in dem Controller 160 ausgeführt ist. Beispielsweise können einige der Sensoren S verwendet werden, um zu bestimmen, ob geeignete Spannungspegel während des Abschaltbetriebes wie auch für Normalbetrieb des Systems 1 erreicht werden. Bei einer anderen besonderen Form brauchen H₂-Detektionsversionen von Sensoren S nicht notwendig zu sein, da stattdessen die H₂-Leckage oder -Konzentration direkt durch den Controller 160 modelliert sein kann. Beispielhafte Formen einer derartigen modellbasierten Weise, um diese Leckage- oder Konzentrationsinformation zu erzielen, können in dem US-Patent 8,195,407 gefunden werden, mit dem Titel ONLINED METHOD TO ESTIMATE HYDROGEN CONCENTRATION ESTIMATION IN FUEL CELL SYSTEMS AT SHUTDOWN AND STARTUP und veröffentlichte US-Patentanmeldung 2013/0089797 mit dem Titel ANODE PURGE AND DRAIN VALVE STRATEGY FOR FUEL CELL SYSTEM, die beide dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehören und hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Bei derartigen Konfigurationen kann der Gebrauch von Sensoren auf einen oder mehrere von Drucksensoren und Temperatursensoren begrenzt sein, von denen beide in oder um die Umgebung des Stapels 200 robuster sein können.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 2A und 2B in Verbindung mit 1B wird eine Leckage L innerhalb des vorliegenden Kontextes als groß betrachtet, wenn sie in der Größenordnung von etwa 5 kW bis 10 kW oder mehr an H₂-Strömung liegt. Somit müssen zur Qualifizierung eines ”großen” Lecks keine äußerst hohen Niveaus an H₂-Förderung außerhalb des Abschnitts der Anode 220 (wie diejenigen in Verbindung mit einer herkömmlichen Kathodenkatalysatorerwärmung (CCH) zu einer gegebenen Zelle 210, bei der das Anodenablassventil 150 _A so bemessen ist, den Durchgang von etwa 60 kW H₂ zuzulassen, das in einem typischen Kraftfahrzeug-Brennstoffzellensystem 1 verbraucht werden kann) auftreten, obwohl die Vorgehensweise der vorliegenden Erfindung in der Lage ist, unter solchen Bedingungen Abschaltungen auszuführen. Im Gegensatz dazu werden ziemlich übliche Leckagen (wie diejenigen, die durch die Bedingungen am Ende der Lebensdauer des Stapels von einer Effizienzperspektive her bestimmt sind) von kleiner als etwa 1 kW an H₂-Strömung (was etwa 5 mA/cm² an Reduktion der Stromerzeugung entsprechen kann) eines vergleichbar bemessenen Brennstoffzellensystems 1 als klein betrachtet.
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 3A und 3B ist eine Zeitkurve von Abschaltereignissen für den Brennstoffzellenstapel 200 – wie auch die Abschalteinflüsse auf den Druck (3A) und Spannung (3B) gezeigt. Insbesondere fährt der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 200 bis zu einem Zeitpunkt fort, wenn eine Leckage L zum Zeitpunkt T₁ detektiert ist. Während die Form einer Leckagedetektion für die vorliegende Erfindung nicht kritisch ist, kann eine geeignete Form durch einen Wasserstoffgassensor S (wie den, der in 1A gezeigt ist) erfolgen, der in Kooperation mit dem Anoden- oder Kathodenströmungspfad platziert sein kann. Es wird angenommen, dass der Stapel 200 unter Last 300 steht (beispielsweise mit einem Elektromotor oder einem anderen Teil eines Kraftfahrzeug-Antriebsstrangs gekoppelt ist), während der Druck in dem Abschnitt der Anode 220 höher vorgespannt ist, als der des Abschnitts der Kathode 230 in jeder Zelle 210 des Stapels 200. Beispielhaft kann eine geringe Druckeinstellung für einen fiktiven Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel 200 die Druckeinstellung innerhalb des Abschnitts der Kathode 230 von etwa 110 kPa und diejenige des Abschnitts der Anode 220 von etwa 130 kPa aufweisen, während sie bei Spitzenleistung bei etwa 220 kPa bzw. 240 kPa liegen können. Mit derartigen normalen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 200 als Hintergrund kann das Abschalten des Stapels 200 gemäß einem Verfahren und einem System der vorliegenden Erfindung drei allgemeine Schritte bei Detektion eines großen Lecks betreffen, einschließlich (1) eine Druckminderung des Abschnitts der Anode 220, die den Zeiten T₁ bis T₂ entspricht, (2) eine Zunahme der relativen Konzentration von inertisierendem Fluid (typischerweise Stickstoff (N₂)) was den Zeiten T₂ bis T₃ infolge des Verbrauchs des Sauerstoffs durch die chemische Reaktion davon mit dem Wasserstoff entspricht, der in den Abschnitt der Kathode 230 zurückgeführt oder abgelassen ist, und (3) Einführen des inertisierenden Fluides in den Abschnitt der Anode 220, was den Zeiten T₃ und weiter entspricht. Diese Schritte werden wie folgt detaillierter diskutiert.
Bezug nehmend auf die Zeitkurvendauer zwischen T₀ (wo der Stapel 200 unter Bedingung mit maximaler Leistung arbeitet) und T₁ (wo eine große abrupte Leckage L detektiert ist), überschreitet der Anodenabschnittsdruck P_A denjenigen des Kathodenabschnitts P_C. In Ansprechen auf die Detektion der Leckage L (wie durch einen oder mehrere der Sensoren S) zum Zeitpunkt T₁ beginnt der Controller 160 einen Betrieb des ersten Schrittes durch Abschalten der Lieferung des ersten Reaktanden (d. h. Brennstoff in der Form von H₂ oder dergleichen) von der Quelle 110, um eine Reaktandenlieferung zu dem Stapel 200 zu beenden; während dieser Zeit wird die Drucksteuerung des Abschnitts der Anode 220 eingeschaltet gehalten. Bald danach (wie durch die Dauer von Zeitpunkt T₁ zu Zeitpunkt T₂ nachgewiesen ist), beginnt der Druck in dem Abschnitt der Anode 220 abzufallen, anfänglich schneller als derjenige des Abschnitts der Kathode 230. Wie oben erwähnt ist, wird der Anodendruck bevorzugt durch einen H₂-Injektor oder eine andere geeignet konfigurierte Pumpe 140 gesteuert. Die Leistung, die von dem Stapel 200 gezogen wird (beispielsweise etwa 0,1 A/cm²) (was äquivalent zu etwa 10 kW ist)), sollte bevorzugt auf einen Wert reduziert werden, der gleichwertig dem der Last an dem Stapel 200 ist. Sensoren S können enthalten sein, um Signale zu liefern, die dem Betrag an Leistung, der gezogen wird, entsprechen, und können ferner mit dem Controller 160 kommunizieren, um zu helfen, eine derartige Äquivalenz zu halten. Wie an anderer Stelle in der vorliegenden Offenbarung erwähnt ist, kann eine derartige Last in der Form der Zusatzausstattung vorliegen (die die verschiedenen parasitären Lasten, wie hier diskutiert ist, wie auch andere enthalten kann). In Situationen, bei denen die Anforderung der Last (wie von einem Traktionsmotor oder dergleichen) niedrig ist, können die parasitären Komponenten des Systems 1 – wie ein oder mehrere Verdichter, Pumpen, Batterien, Widerstandsheizer, Luftklimatisierungseinrichtungen oder dergleichen – verwendet werden, um zu helfen, die überschüssige elektrische Leistung zu verbrauchen, die immer noch erzeugt wird. Bei einer Form kann es nützlich sein, den Stapel 200 bei einer höheren Stöchiometrie des Abschnitts der Kathode 230 zu betreiben, um Emissionen niedrig zu halten; dies kann insbesondere in Situationen nützlich sein, wenn die Leckage von Anode zu Kathode nahe dem Auslass des Abschnitts der Kathode 230 auftritt und eine begrenzte aktive Fläche zum Verbrauch des H₂ vorliegt. Eine hohe Strömung des Abschnitts der Kathode 230 kann auch in erhöhter Kompressorleistung und schnellem Verbrauch des H₂ in dem Abschnitt der Anode 220 resultieren. Eine Kühlmittelströmung (die durch geeignet ausgestattete Pumpen, Leitungen, Ventile und Steuerschaltungen bereitgestellt werden kann, von denen keine gezeigt ist) für den Stapel 200 sollte auf eine maximale Strömung erhöht werden; dies hilft mit einem Kühlen lokal erzeugter heißer Reaktionsstellen wie auch der Bereitstellung anderer parasitärer Lasten, die oben erwähnt sind und dazu verwendet werden können, einen H₂-Verbrauch zu beschleunigen.
Als Teil des ersten der drei allgemeinen Schritte, wie oben erwähnt ist, um den Abschnitt der Anode 220 druckzumindern, ist das Anodenablassventil 150 _A geöffnet. Wie in 2A gezeigt ist, ist die Größe der Leitung und verwandten Ausstattung so, dass der Pfad des geringsten Widerstandes für die Strömung von H₂ durch das Ablassventil 150 _A anstatt durch den Leckageort L liegen kann. Ferner mischt sich (zumindest bei der Ausführungsform, die in 2A gezeigt ist), H₂, das das Anodenablassventil 150 _A verlässt, in einem Einlassverteiler oder einer Sammelleitung, der Teil der Leitung 130 ist, die dazu verwendet wird, den Abschnitt der Kathode 230 jeder der einzelnen Zellen 210 zu speisen, so dass das H₂ relativ gleichmäßig in allen der Zellen 210 zum Verbrauch auf eine Weise ähnlich dem CCH, wie oben erwähnt ist, verteilt ist. Die Ventile des Abschnitts der Kathode 230 (einschließlich dem Gegendruckventil 150 _C und Bypassventilen, nicht gezeigt), können ebenfalls betätigt werden, um den Druck P_A des Abschnitts der Anode 220 zu steuern und zu ermöglichen, dass dieser sinkt, während eine kleine Druckvorspannung des Abschnitts der Anode 220 (beispielsweise zwischen etwa 5 und 10 kPa) relativ zu dem Druck P_C des Abschnitts der Kathode 230 beibehalten wird. Dieser Schritt kann beendet werden, wenn der Druck P_A des Abschnitts der Anode 220 nahe dem Umgebungsdruck liegt (d. h. grob 14,7 Pfund/Zoll² oder 100 kPa). Während dieses Schrittes fällt die Spannung V_LEAK der gefährdeten Zelle schnell ab, obwohl die durchschnittliche Stapelspannung V_AVE relativ unbeeinflusst bleibt.
Bezüglich des zweiten Schrittes wirkt beginnend zum Zeitpunkt T₂, um die katalytische Reaktion von H₂ und O₂, die um die relative Konzentration des Stickstoffs, der in der Umgebungsluftversorgung in dem Abschnitt der Kathode 230 vorhanden ist, anzuheben. Während dieses Schrittes ist die lokale Zunahme der Konzentration des inertisierenden Fluides (d. h. N₂) auf eine Weise, die in dem nächsten Schritt diskutiert ist, nützlich. Während dieses zweiten Schrittes ist es wichtig, das Anodenablassventil 150 _A zu schließen, um die Abschnitte der Anode und Kathode 220, 230 voneinander zu trennen. Überdies ist es wichtig, die Last an dem Stapel 200 beizubehalten und ein Verbrauchen von Reaktanden (sowohl H₂ als auch O₂) beizubehalten, bis die Anschlussspannung des Stapels 200 auf Null oder im Wesentlichen Null fällt, was angibt, dass der größte Teil des H₂ verbraucht ist. Somit wird, wenn der H₂ verbraucht ist, der Leistungsausgang von dem Stapel 200 sanft auf Null oder im Wesentlichen Null reduziert; dies steht im Gegensatz zu der vorher erwähnten Abhilfemaßnahme mit ”Schnellstopp”, bei der die Leistung schnell abgeschaltet wird. Um sicherzustellen, dass so viel O₂ wie möglich in dem Abschnitt der Kathode 230 abgereichert wird, wird das Gegendruckventil 150 _C geschlossen; dies hilft zusätzlich, den Druck des Abschnitts der Kathode 230 auf eine Weise ähnlich der O₂-Abreicherung, die während der normalen Abschaltung auftritt, aufzubauen. Zusätzlich beginnt die durchschnittliche Stapelspannung V_AVE abzufallen, muss jetzt jedoch den Abfall der Spannung V_LEAK für die leckende (oder gefährdete) Zelle abfangen. Dieser Schritt kann beendet sein, wenn die durchschnittliche Spannung V_AVE unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegt. Bei einer Form ist diese Schwelle der Spannungspegel, bei dem der Stapel 200 nicht mehr in der Lage ist, jegliche der parasitären Lasten zu betreiben. Bei einer anderen Form kann dieser Schritt beendet sein, wenn der Anodenabschnittsdruck P_A unterhalb der Umgebung ist. Bei einer Form kann das Gegendruckventil 150 _C in eine geringfügig offene Position betätigt sein, um den Kathodenabschnittsdruck P_C als eine Weise zu reduzieren, die Vorspannung des geringen Drucks P_A des Anodenabschnitts beizubehalten, wie oben erwähnt ist; eine derartige Betätigung kann durchgeführt werden, bis der Druck P_A des Abschnitts der Anode 220 aufgrund seines Verbrauchs auf ein geeignet geringes Niveau (wie bei oder unterhalb Umgebung) abfällt. Wie in der Spannungskurve von 3B zu sehen ist, können Zeitdauern vorliegen, bei denen die Spannung V_LEAK der leckenden/gefährdeten Zelle negativ werden kann. Während erwartet werden kann, dass dies zu einer Kohlenstoffkorrosion in der leckenden/gefährdeten Zelle beiträgt, stellen die Erfinder fest, dass dies nicht problematisch ist, da die Zelle – aufgrund einer Entwicklung eines Lecks L – ersetzt werden muss. Wie oben erwähnt ist, kann, wenn die Last von dem ETS nicht verfügbar ist, das System 1 durch den Controller 160 betrieben werden, um eine oder mehrere leicht verfügbare Formen parasitärer Lasten (wie die vorher erwähnten Pumpen, Verdichter oder andere An-Bord-Ausstattung) zu verwenden.
Ausgehend vom Zeitpunkt T₃ beginnt der Schritt zum Rückfüllen oder Erhöhen des inertisierenden Fluides (N₂) in dem Abschnitt der Anode 220; bei diesem Schritt wird, sobald der Anodenabschnittsdruck P_A kleiner als oder gleich dem Umgebungsdruck ist, der Betrieb der Pumpen 140 oder damit in Verbindung stehenden Verdichter gestoppt, so dass kein Reaktand mehr an den Stapel 200 geliefert wird. In diesem Fall ist, während das Gegendruckventil 150 _C geschlossen bleibt, das Ablassventil 150 _A geöffnet, um N₂-reiche Luft von dem Abschnitt der Kathode 230 an den Abschnitt der Anode 220 durch die Sammelleitung zu fördern, die Teil der Leitung 130 und des Ablassventils 150 _A ist, um das inertisierende Fluid (N₂) in den Abschnitt der Anode 220 rückzufüllen oder zu erhöhen. Während dieser Zeit ist der Stapelspannungsentladewiderstand 600 verbunden, um jegliche verbleibende Luft und H₂ in dem Stapel 200 zu verbrauchen. Signifikanterweise wird durch Füllen des Abschnitts der Anode 220 mit dem inertisierenden Fluid (N₂) die Wärmeerzeugung in dem Stapel 200 aufgrund einer lokalen Reaktion vermieden. Bei einer alternativen Form wird, sobald der Anodendruck P_A kleiner als oder gleich dem Umgebungsdruck ist, der Verdichter (der bei einer Ausführungsform ähnlich einer Pumpe 140 in 1 wirkt) abgeschaltet, während das Ablassventil 150 _A geöffnet ist, um N₂-reiche Luft an den Abschnitt der Anode 220 zu treiben und damit jegliches H₂ zu verdünnen, das in dem Stapel 200 verbleibt.
Es wird angemerkt, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”im Allgemeinen” und ”typisch” hier nicht benutzt werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu gedacht, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung ist anzumerken, dass der Begriff ”im Wesentlichen” und ”annähernd” und ihre Varianten hierin benutzt werden, um den inhärenten Grad der Unsicherheit darzustellen, der auf irgendeinen quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder eine andere Darstellung zurückzuführen ist. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegeben Referenz abweichen kann, ohne dass eine Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes resultiert.
Nach der detaillierten Beschreibung der Erfindung und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon wird gleichwohl ersichtlich, dass Modifikationen und Abweichungen möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Insbesondere ist es denkbar, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise auf angegebene bevorzugte Aspekte und Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern nur durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein soll.
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 8195407 [0025]

Claims

Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels während eines Betriebs, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Leckage in dem Brennstoffzellenstapel detektiert wird, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist, wobei jede Brennstoffzelle umfasst: einen ersten Abschnitt, der eine Anode und einen Anodenströmungspfad definiert, der mit einer ersten Quelle gekoppelt ist, wobei die erste Quelle einen ersten Reaktanden enthält, einen zweiten Abschnitt, der eine Kathode und einen Kathodenströmungspfad definiert, der mit einer zweiten Quelle gekoppelt ist, wobei die zweite Quelle einen zweiten Reaktanden enthält, und einen protonendurchlässigen Elektrolyt, der zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist; in Ansprechen auf eine Detektion der Leckage ein Druck in dem ersten Abschnitt durch Abschalten einer Lieferung des ersten Reaktanden an die Anode reduziert wird, wobei das Reduzieren umfasst, dass zumindest eines von einem ersten Ventil und einem zweiten Ventil betätigt wird, wobei das erste Ventil fluidtechnisch in dem Anodenströmungspfad angeordnet ist und das zweite Ventil fluidtechnisch in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist; eine Konzentration eines inertisierenden Fluides in dem Kathodenströmungspfad dadurch erhöht wird, dass zumindest eines des ersten Ventils und des zweiten Ventils betätigt wird, um einen Verbrauch von zumindest einem Abschnitt des ersten Reaktanden und des zweiten Reaktanden in dem zweiten Abschnitt zu unterstützen, bis zumindest eines von einer Anschlussspannung und einem Druck des ersten Abschnitts unterhalb eines jeweiligen vorbestimmten Niveaus liegt; und zumindest ein Abschnitt des inertisierenden Fluides von dem zweiten Abschnitt zu dem ersten Abschnitt gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Ventil ein Ablassventil umfasst und das zweite Ventil ein Gegendruckventil umfasst, wobei das Betätigen des ersten Ventils umfasst, dass das Ablassventil geöffnet wird, so dass zumindest ein Anteil des ersten Reaktanden, der hindurchgelangt, an den zweiten Abschnitt geliefert wird, und wobei das Betätigen des zweiten Ventils umfasst, dass das Gegendruckventil um einen Betrag geschlossen wird, der ausreichend ist, um eine Druckvorspannung in dem ersten Abschnitt relativ zu dem zweiten Abschnitt beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Pegel der Anschlussspannung etwa 0 Volt beträgt und das vorbestimmte Niveau des Drucks des ersten Abschnitts etwa ein Umgebungsdruck ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Zunahme der Konzentration des inertisierenden Fluides im Wesentlichen endet, wenn eine vorbestimmte Bedingung auftritt, wobei die Bedingung zumindest eines umfasst, aus: der Druck des ersten Abschnitts liegt unterhalb eines Umgebungsdruckes, und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels liegt unterhalb eines Betrages, der notwendig ist, um eine parasitäre Last anzutreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Reduzieren des Drucks in dem ersten Abschnitt ferner umfasst, dass ein elektrischer Strom, der durch den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, auf ein Niveau reduziert wird, das im Wesentlichen mit einem Betrag übereinstimmt, der notwendig ist, um eine Stapelzusatzausstattung zu betreiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Detektieren mit zumindest einem Gasdetektionssensor ausgeführt wird, der in Fluidkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, während zumindest eines aus Reduzieren, Erhöhen und Fördern zumindest teilweise durch einen Controller ausgeführt wird, der in Signalkommunikation mit dem Gasdetektionssensor steht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Detektieren, Reduzieren, Erhöhen und Fördern zumindest teilweise durch einen Controller ausgeführt wird, der in Signalkommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel durch zumindest einen Drucksensor und zumindest einen Temperatursensor und ohne Eingang von einem Gasdetektionssensor steht.
Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, die einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen protonendurchlässigen Elektrolyt umfasst, wobei der protonendurchlässige Elektrolyt zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist; eine erste Quelle, die einen ersten Reaktanden enthält; eine zweite Quelle, die einen zweiten Reaktanden enthält; einen Anodenströmungspfad, der so konfiguriert ist, den ersten Abschnitt fluidtechnisch mit der ersten Quelle zu koppeln; einen Kathodenströmungspfad, der so konfiguriert ist, den zweiten Abschnitt mit der zweiten Quelle fluidtechnisch zu koppeln; zumindest ein Strömungssteuerventil in Fluidkooperation mit zumindest einem des Anodenströmungspfades und des Kathodenströmungspfades; eine Last, die elektrisch mit der Brennstoffzelle gekoppelt ist, so dass ein elektrischer Strom, der in der Brennstoffzelle erzeugt ist, zumindest teilweise in der Last verbrauchbar ist; einen Controller, der mit zumindest einem von dem Strömungssteuerventil, der Brennstoffzelle und der Last gekoppelt ist, wobei der Controller Abschaltanweisungen in Ansprechen auf eine Identifizierung eines Leckagezustandes bereitstellt, wobei der Controller konfiguriert ist, um: einen Hinweis auf die Leckagebedingung zu empfangen; einen Druck in dem ersten Abschnitt durch Abschalten einer Lieferung des ersten Reaktanden an den ersten Abschnitt zu reduzieren, wobei das Abschalten durch Betätigen von zumindest einem Strömungssteuerventil erfolgt, ein Verbrauch des zweiten Reaktanden durch Betätigung des zumindest einen Strömungssteuerventils oder eines anderen Strömungssteuerventils erhöht wird, wobei der erhöhte Verbrauch eine Konzentration eines inertisierenden Fluides, das sich in dem Kathodenströmungspfad befindet, erhöht, und zumindest ein Abschnitt des inertisierenden Fluides von dem zweiten Abschnitt zu dem ersten Abschnitt durch zumindest einen von dem Anodenströmungspfad und dem Kathodenströmungspfad gefördert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei der Leckagezustand durch zumindest einen Sensor identifiziert ist, der in Fluidkommunikation mit der Brennstoffzelle angeordnet ist, wobei der zumindest eine Sensor so konfiguriert ist, zumindest eines von dem Druck und der Temperatur zu erfassen.
Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellenstapels bei einer Detektion eines Reaktandenlecks darin während des Betriebs, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, ein Anodenströmungspfad und ein Kathodenströmungspfad in dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden, wobei jede der Mehrzahl von Brennstoffzellen umfasst: einen ersten Abschnitt, der eine Anode aufweist, wobei der Anodenströmungspfad die Anode fluidtechnisch mit einer Quelle für ersten Reaktanden, die einen ersten Reaktanden enthält, koppelt; einen zweiten Abschnitt, der eine Kathode aufweist, wobei der Kathodenströmungspfad die Kathode fluidtechnisch mit einer Quelle für zweiten Reaktanden, die einen zweiten Reaktanden enthält, koppelt, und einen protonendurchlässigen Elektrolyt, der zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist; ein erstes Ventil bereitgestellt wird, das fluidtechnisch in dem Anodenströmungspfad angeordnet ist, und ein zweites Ventil bereitgestellt wird, das fluidtechnisch in dem Kathodenströmungspfad angeordnet ist; ein Controller, der mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist, verwendet wird, wobei der Controller konfiguriert ist, um: zumindest ein Signal zu empfangen, das der Detektion des Reaktandenlecks entspricht, zumindest eines von dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil zu betätigen, um einen Druck in dem ersten Abschnitt zu reduzieren, wodurch ein Abschalten einer Versorgung des ersten Reaktanden zu der Anode bewirkt wird, und zumindest eines von dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil betätigt wird, um einen Verbrauch des ersten Reaktanden und des zweiten Reaktanden zu unterstützen, und nachdem zumindest eines von einer Anschlussspannung und einem Druck eines ersten Abschnitts unterhalb eines jeweiligen vorbestimmten Niveaus liegt, zumindest ein Anteil eines inertisierenden Fluides von dem zweiten Abschnitt zu dem ersten Abschnitt gefördert wird.