DE102008055803B4

DE102008055803B4 - System und Verfahren zur modellbasierten Abgasmischsteuerung in einer Brennstoffzellenanwendung

Info

Publication number: DE102008055803B4
Application number: DE102008055803.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Lienkamp; Peter Willimowski
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: DE102008055803A1; US7537848B1; US20090117417A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite; einen Verdichter (30), der eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) bereitstellt; einen Luftströmungssensor (46), der die Luftströmung von dem Verdichter (30) empfängt und ein Strömungssignal bereitstellt; ein Entlüftungsventil (26) zum periodischen Entlüften von Anodenabgas aus der Anodenseite des Stapels (12); einen Mischknotenpunkt (36) zum Mischen eines Kathodenabgases und des entlüfteten Anodenabgases während der Entlüftung; und ein Controller-Subsystem (60) zum Steuern des Verdichters (30) und des Entlüftungsventils (26), sodass die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas unter einem vorbestimmten Prozentsatz liegt, wobei das Controller-Subsystem (60) ein Stapelsteuermodul (62) zum Erzeugen eines ersten Luftströmungsanforderungssignals zum Öffnen des Entlüftungsventils (26) umfasst, wobei das Controller-Subsystem (60) ferner ein Anodensteuermodul (64) umfasst, welches das erste Luftströmungsanforderungssignal empfängt und ein Entlüftungsbefehlsignal an das Entlüftungsventil (26) bereitstellt, um das Entlüftungsventil (26) zu öffnen und die Entlüftung bereitzustellen, wobei das Anodensteuermodul (64) ein zweites Luftströmungsanforderungssignal bereitstellt, das ermittelt, wie viel Luftströmung von dem Verdichter (30) erforderlich ist, um den Wasserstoff in dem Anodenabgas derart zu verdünnen, dass er unter dem vorbestimmten Prozentsatz liegt, wobei das Controller-Subsystem (60) einen Maximumprozessor (76) umfasst, der derart ausgestaltet ist, dass er das erste Luftströmungsanforderungssignal von dem Stapelsteuermodul (62) und das zweite Luftströmungsanforderungssignal von dem Anodensteuermodul (64) vergleicht und das größere der beiden auswählt, wobei das Controller-Subsystem (60) ferner ein Kathodensteuermodul (78) umfasst, welches das größere von dem ersten und dem zweiten Luftströmungsanforderungssignal empfängt und das Strömungssignal der Luftströmung von dem Luftströmungssensor (46) empfängt, wobei das Kathodensteuermodul (78) ein Signal bereitstellt, um die Drehzahl des Verdichters (30) zu steuern, um die Wasserstoffkonzentration während einer Anodenabgasentlüftung unter dem vorbestimmten Niveau zu halten.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Stickstoffentlüftung aus einem Anoden-Subsystem in einem Brennstoffzellensystem und im Spezielleren ein System und Verfahren zum Steuern einer Stickstoffentlüftung aus einem Anoden-Subsystem in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Verfahren umfasst, dass das Anodenentlüftungsgas mit einem Kathodenabgas gemischt wird und die Kathodenversorgungsluft auf der Basis der Konzentration an Wasserstoff in dem Anodenentlüftungsgas gesteuert wird, um die Konzentration an Wasserstoff in dem kombinierten Kathoden- und Anodenabgas unter einem bestimmten Prozentsatz zu halten.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ kostspielig herzustellen und benötigen bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Zum Beispiel kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangs-Reaktandengas, typischerweise eine Strömung von Luft, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoff-Reaktandengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel umfasst auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von bipolaren Platten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und eine weitere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die bipolaren Platten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Die MEAs sind porös und lassen daher zu, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite des Stapels durch sie hindurch dringt und sich in der Anodenseite des Stapels ansammelt, was in der Industrie als Stickstoff-Übertritt (Cross-Over) bezeichnet wird. Der Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels verdünnt den Wasserstoff, sodass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen bestimmten Prozentsatz wie z. B. 50% hinaus ansteigt, der Brennstoffzellenstapel instabil wird und versagen kann. Es ist auf dem technischen Gebiet bekannt, ein Entlüftungsventil an dem Anodengasausgang des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
Das Gas, das periodisch aus der Anodenseite entlüftet wird, umfasst typischerweise eine beträchtliche Menge an Wasserstoff. Da Wasserstoff sich mit Luft mischen wird, wenn er in die Umgebung abgelassen wird, kann ein potenziell brennbares Gemisch auftreten, das offensichtliche Sicherheitsprobleme mit sich bringt. Es ist auf dem technischen Gebiet bekannt, das entlüftete Gas zu einem Brenner zu leiten, um den meisten oder den gesamten Wasserstoff darin zu verbrennen, bevor das entlüftete Gas in die Umgebung ausgestoßen wird. Allerdings bringt der Brenner beträchtliche zusätzliche Kosten und eine ebensolche Komplexität für das Brennstoffzellensystem mit sich, was nicht wünschenswert ist.
Es ist auf dem technischen Gebiet auch bekannt, den Brenner zu eliminieren und das Anodenentlüftungsgas direkt mit dem Kathodenabgas zu mischen. Wenn das Anodenentlüftungsgas mit dem Kathodenabgas ohne Steuerung direkt gemischt wird, ist die Menge an Wasserstoff in dem Anodenabgas unbekannt. Ein Wasserstoffkonzentrationssensor kann in der Kathodenabgasleitung nach dem Mischpunkt mit dem Anodenentlüftungsgas vorgesehen sein, um die Konzentration an Wasserstoff zu detektieren. Der Wasserstoffkonzentrationssensor würde ein Signal an den Controller während einer Entlüftung bereitstellen, das die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Abgas angibt. Wenn die Konzentration an Wasserstoff zu hoch wäre, würde der Controller die Drehzahl des Verdichters erhöhen, um mehr Kathodenabgasluft bereitzustellen, um die Konzentration an Wasserstoff zu senken. Wenn der Verdichter nicht in der Lage war, die Konzentration an Wasserstoff effektiv unter der Sicherheitsgrenze für die Stapelbelastung zu halten, dann müsste der Controller das Entlüftungsventil schließen. Der Wasserstoffsensor müsste jedoch kostengünstig und in der Lage sein, der Feuchtigkeit des Abgases standzuhalten. Derzeit sind bekannte Wasserstoffkonzentrationssensoren nicht in der Lage, diesen Anforderungen zu entsprechen.
Herkömmliche Systeme und Verfahren zur Abgasmischsteuerung in einer Brennstoffzellenanwendung sind aus der Druckschrift DE 10 2007 059 737 A1 bekannt, die nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht worden ist.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung sind ein System und ein Verfahren zum Steuern eines Entlüftungsventils und eines Verdichters in einem Brennstoffzellensystem während einer Anodenentlüftung offenbart, um die Konzentration an Wasserstoff in einem gemischten Kathodenabgas und Anodenentlüftungsgas unter einem vorbestimmten Prozentsatz zu halten. Das System verwendet ein Ventilöffnungsmodell, um die Strömungsrate des Anodenentlüftungsgases durch das Entlüftungsventil hindurch zu berechnen, um zu ermitteln, wie viel Luftströmung von dem Verdichter erforderlich ist, um den Wasserstoff in dem gemischten Gas derart zu verdünnen, dass er unter dem vorbestimmten Prozentsatz liegt. Das System berücksichtigt auch Sensorungenauigkeiten und Herstellungstoleranzen, um sicherzustellen, dass die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas unter dem bestimmten Prozentsatz liegt.
Ein erfindungsgemäßes System umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite, einen Verdichter, der eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels bereitstellt, einen Luftströmungssensor, der die Luftströmung von dem Verdichter empfängt und ein Strömungssignal bereitstellt, ein Entlüftungsventil zum periodischen Entlüften von Anodenabgas aus der Anodenseite des Stapels, einen Mischknotenpunkt zum Mischen eines Kathodenabgases und des entlüfteten Anodenabgases während der Entlüftung und ein Controller-Subsystem zum Steuern des Verdichters und des Entlüftungsventils, sodass die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas unter einem vorbestimmten Prozentsatz liegt. Das Controller-Subsystem umfasst ein Stapelsteuermodul zum Erzeugen eines ersten Luftströmungsanforderungssignals zum Öffnen des Entlüftungsventils. Ferner umfasst das Controller-Subsystem ein Anodensteuermodul, welches das erste Luftströmungsanforderungssignal empfängt und ein Entlüftungsbefehlssignal an das Entlüftungsventil bereitstellt, um das Entlüftungsventil zu öffnen und die Entlüftung bereitzustellen, wobei das Anodensteuermodul ein zweites Luftströmungsanforderungssignal bereitstellt, das ermittelt, wie viel Luftströmung von dem Verdichter erforderlich ist, um den Wasserstoff in dem Anodenabgas derart zu verdünnen, dass er unter dem vorbestimmten Prozentsatz liegt. Das Controller-Subsystem umfasst außerdem einen Maximumprozessor, der derart ausgestaltet ist, dass er das erste Luftströmungsanforderungssignal von dem Stapelsteuermodul und das zweite Luftströmungsanforderungssignal von dem Anodensteuermodul vergleicht und das größere der beiden auswählt. Das Controller-Subsystem umfasst ferner ein Kathodensteuermodul, welches das größere von dem ersten und dem zweiten Luftströmungsanforderungssignal empfängt und das Strömungssignal der Luftströmung von dem Luftströmungssensor empfängt, wobei das Kathodensteuermodul ein Signal bereitstellt, um die Drehzahl des Verdichters zu steuern, um die Wasserstoffkonzentration während einer Anodenabgasentlüftung unter dem vorbestimmten Niveau zu halten.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das eine Technik zum Steuern einer Anodenentlüftung verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 ist ein Blockdiagramm eines Steuerschemas zum Steuern eines Entlüftungsventils in dem in 1 gezeigten System.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die ein System und ein Verfahren zum Steuern einer Anodenentlüftung in einem Brennstoffzellensystem vorsieht, ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 soll allgemein jeden Typ von Brennstoffzellensystem darstellen, das eine Anodenabgasentlüftung erfordert, um Stickstoff aus der Anodenseite des Stapels 12 zu entfernen, wie z. B. Brennstoffzellensysteme, die das Anodenabgas zurück zu dem Anodeneinlass rezirkulieren, und Brennstoffzellensysteme, die einen geteilten Stapelaufbau mit einer Anodenströmungsverschiebung verwenden. Wasserstoffgas von einer Wasserstoffquelle 14 wird an einer Leitung 18 an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 bereitgestellt. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 an einer Leitung 20 abgegeben und wird zu einem Entlüftungsventil 26 geschickt. Ein Kathodenabgas aus dem Stapel 12 wird von dem Stapel 12 an einer Kathodenabgasleitung 34 abgegeben.
Wie oben stehend erläutert, verdünnt der Stickstoff-Übertritt von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 den Wasserstoff in der Anodenseite, was die Stapelleistung beeinflusst. Es ist daher erforderlich, das Anodenabgas periodisch zu entlüften, um die Menge an Stickstoff in dem Anoden-Subsystem zu reduzieren. In dieser Ausführungsform wird das entlüftete Gas in der Leitung 28 mit dem Kathodenabgas an der Leitung 34 in einem Mischknotenpunkt 36 gemischt.
Um das Anoden-Subsystem zu überwachen, sind verschiedene Sensoren in dem System 10 vorgesehen. Im Speziellen misst ein Drucksensor 40 den Druck an dem Einlass zu dem Entlüftungsventil 26, ein Drucksensor 42 misst den Deltadruck über das Entlüftungsventil 26 hinweg, ein Temperatursensor 44 misst die Temperatur des Anodenabgases an dem Einlass zu dem Entlüftungsventil 26. Der Drucksensor 40 kann jeder Drucksensor sein, der den Druck des Anoden-Subsystems misst, und ein Stapelkühlmittel-Temperatursensor kann anstelle des Temperatursensors 44 verwendet werden. Ferner misst ein Strömungsmesser 46 die Strömung der Luft, die in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 eingebracht wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der Strömungsmesser eliminiert sein und die Strömungsrate der Verdichterluft kann auf der Basis verschiedener Faktoren wie z. B. einem Verdichterkennfeld, einer Verdichterdrehzahl, einem Einlass/Auslassdruck, einer Temperatur etc. abgeleitet werden.
Wie oben stehend erläutert, ist es erforderlich, die Entlüftung des Anodenabgases zu der Kathodenabgasleitung 34 derart zu steuern, dass die Konzentration von Wasserstoff darin unter einem vorbestimmten Sicherheitsniveau gehalten wird. Typischerweise ist es wünschenswert, den Prozentsatz von Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas derart zu erhalten, dass er kleiner ist als einige Prozent je Volumen. Um diese Funktion auszuführen, empfängt ein Controller 48 das Temperatursignal von dem Temperatursensor 44, das Drucksignal von dem Drucksensor 40, das Drucksignal von dem Drucksensor 42 und das Strömungssignal von dem Strömungsmesser 46. Der Controller 48 umfasst einen unten erläuterten Algorithmus, der die Konzentration und die Menge an Wasserstoff bestimmt, die aus dem Entlüftungsventil 26 entlüftet wird, und den Verdichter 30 und das Entlüftungsventil 26 derart steuert, um die Konzentration an Wasserstoff in dem kombinierten Abgas unter einem vorbestimmten Niveau zu halten.
Der Algorithmus berechnet die Konzentration an Wasserstoff, die in die Umgebung entlüftet wird. Diese Konzentration an Wasserstoff basiert auf der Kathodenabgasströmung und der Anodenabgasströmung. Die Kathodengasströmung wird durch den Strömungsmesser 46 bereitgestellt. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Anodenabgasströmung auf der Basis eines Öffnungsmodells des Entlüftungsventils 26 berechnet. Die tatsächlichen Molenbrüche an Stickstoff, Wasserstoff und Wasserdampf in dem Anodenabgas werden auf der Basis der Annahme berechnet, dass der Wasseranteil etwa 100% relativer Feuchtigkeit für die gemessene Temperatur beträgt. Der Molenbruch trockenen Wasserstoffs kann durch Beurteilung von Zellenspannungen, die spezifische Sensoren heranziehen, oder durch Festlegen des Wasserstoffmolenbruchs auf 1 als eine Annahme des ungünstigsten Falles abgeschätzt werden.
2 ist ein Blockdiagramm eines Systems 60 zum Steuern des Entlüftungsventils 26 und des Verdichters 30 während einer Anodenabgasentlüftung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 60 umfasst ein Stapelsteuermodul 62, das ein Entlüftungsanforderungssignal an der Leitung 66 zu jenen Zeitpunkten erzeugt, zu denen es erforderlich ist, das Entlüftungsventil 26 zu öffnen, um die Menge an Stickstoff in dem Anodenabgas zu reduzieren. Verschiedene Techniken, um zu bestimmen, wann das Anodenabgas zu entlüften ist, sind auf dem technischen Gebiet bekannt, wobei einige davon die Konzentration von Stickstoff in dem Anodenabgas modellieren. Zum Beispiel offenbart die US-Patentanmeldung Nr. 10/952 200, eingereicht am 28. September 2004, mit dem Titel „Method for Controlling Nitrogen Fraction” ein solches System. Das Stapelsteuermodul 62 berechnet auch die Kathodenluftströmungsanforderung für die aktuelle Stapelbelastung und stellt ein Stapelluftströmungs-Anforderungssignal an der Leitung 72 bereit.
Das Entlüftungsanforderungssignal wird an ein Anodensteuermodul 64 gesendet, das ein Entlüftungsbefehlsignal an der Leitung 68 an ein Entlüftungsventil in einem Brennstoffzellensystem 70 bereitstellt. Das Anodensteuermodul 64 verwendet ein Ventilmodell, um den Wasserstoff zu berechnen, der durch das Entlüftungsventil 26 strömen und sich mit dem Kathodenabgas mischen wird. Das Anodensteuermodul 64 stellt den Differenzialdruck über das Entlüftungsventil 26 hinweg ein, um die Anodenabgasströmung dadurch während der Entlüftung durch Steuern des Öffnens des Ventils 26 zu steuern. Das Anodensteuermodul 64 erzeugt auch ein Luftströmungsanforderungssignal an der Leitung 74, das bereitgestellt werden muss, um den Wasserstoff in dem Anodenabgas während der Entlüftung derart zu verdünnen, dass der Prozentsatz an Wasserstoff in dem gemischten Abgas unter dem vorbestimmten Sicherheitsniveau liegt.
Beide Luftströmungsanforderungssignale an den Leitungen 72 und 74 werden an einen Maximumprozessor 76 gesendet, der den größeren der beiden Werte nimmt und diesen an der Leitung 88 zu einem Kathodensteuermodul 78 sendet. Das Kathodensteuermodul 78 empfängt auch ein Signal der gemessenen Kathodenluftströmung an der Leitung 80 von dem Strömungssensor 46, das die tatsächliche Luftströmung von dem Verdichter 30 angibt. Das Kathodensteuermodul 78 erzeugt ein Verdichterbefehlsignal, das an der Leitung 82 an das Brennstoffzellensystem 70 gesendet wird, um die Drehzahl des Verdichters 30 zu steuern. Das Verdichterbefehlsignal wird sowohl der Stapelbelastungsanforderung als auch der Menge an Luft an dem Mischknotenpunkt 36 gerecht werden, die erforderlich ist, um den Wasserstoff während der Stickstoffentlüftung unter das vorbestimmte Sicherheitsniveau zu verdünnen.
Um eine Abschätzung des ungünstigsten Falles der Wasserstoffkonzentration in dem gemischten Abgas sicherzustellen, stellt das Kathodensteuermodul 78 ein Signal einer garantierten Luftströmung an der Leitung 84 bereit, das potentielle Sensorungenauigkeiten und Herstellungstoleranzen berücksichtigt. Das Signal einer garantierten Luftströmung berücksichtigt Luftströmungs- und Modellgenauigkeiten, Herstellungstoleranzen, Massenströmungsaufteilungen zwischen der Hauptluftströmung zu dem Kathodeneinlass des Stapels 12 und zu dem Mischknotenpunkt 36 etc. Das Signal einer garantierten Luftströmung an der Leitung 84 und das Luftströmungsanforderungssignal an der Leitung 74 werden in dem Komparator 86 verglichen. Wenn das Luftströmungsanforderungssignal kleiner ist als das Signal einer garantierten Luftströmung, wird die Wasserstoffkonzentrationsgrenze nicht überschritten und das Entlüftungsventil 26 kann geöffnet werden. Andernfalls wird das Anodensteuermodul 64 das Entlüftungsventil 26 nicht öffnen.
Wie oben erwähnt, kann das Stapelsteuermodul 62 eine Stickstoffentlüftung unter Verwendung verschiedener Techniken anfordern. In einer Ausführungsform wird das Entlüftungsventil 26 geöffnet, wenn die nachfolgende Gleichung gültig ist.
wobei:
Wobei Gleichung (3) eine Annahme des ungünstigsten Falles ist, in dem das gesamte Wasser kondensiert ist.
Wobei d eine Ableitung in Bezug auf die Zeit ist.
Wie oben erwähnt, verwendet das Anodensteuermodul 64 ein Ventilmodell, um den Wasserstoff zu berechnen, der aus dem Entlüftungsventil 26 entlüftet wird. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet das Ventilmodell die folgende Gleichung, um die Berechnung bereitzustellen.
Wobei kν der charakteristische Wert für das Entlüftungsventil 26 ist, Q die Strömungsrate des durch das Entlüftungsventil 26 strömenden Anodenabgases ist, p₁ der Druck an dem Einlass des Entlüftungsventils 26 ist, p₂ der Druck an dem Auslass des Entlüftungsventils 26 ist, ρ_n die Dichte des Anodenabgases ist und T die Temperatur des Anodenabgases ist.
Da die Wasserstoffkonzentration in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas nicht höher sein kann als die vorbestimmte Grenze, sollten die Parameter und die Sensorsignale derart gewählt sein, dass die Anodenabgasströmung Q_calculated größer oder gleich der reellen unbekannten Anodenabgasströmung Q_real ist. Dies führt zu den folgenden Annahmen des ungünstigsten Falles für die Gleichung (5).
Die Strömungsrate des Anodenabgases durch das Strömungsventil 26 kann auf andere Arten berechnet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Strömungsrate durch das Entlüftungsventil 26 berechnet als:
Infolge der Sensorgenauigkeit wird der Auslassdruck p₂ durch einen Deltadruck Δp_BleedValve ersetzt, wobei:
Dies führt zu:
Wobei:
Alle Wasseranteile und -strömungen, auf die in den obigen Gleichungen Bezug genommen wird, gelten für verdampftes Wasser.
Die folgenden Annahmen werden für die oben stehende Strömungsratenberechnung getroffen.
Die Gleichung (17) gilt für den ungünstigsten Fall, in dem das Anodenabgas reiner H₂ ist, aber kleiner als 1 sein wird, wenn eine bessere Information verfügbar ist. Wenn angenommen wird, dass Gleichung (17) 1 ist, so gelten die Gleichungen (18) und (19) unten:
Wenn angenommen wird, dass der Wasserstoffanteil 1 beträgt, so wird angenommen, dass alle anderen Anteile in dem entlüfteten Gas 0 betragen. Die Gleichung (18) gilt für den ungünstigsten Fall, in dem das Anodenabgas reiner H₂ ist, aber mehr als 0 sein wird, wenn eine bessere Information verfügbar ist.
Die Gleichung (19) gilt für den ungünstigsten Fall, in dem das Anodenabgas reiner H₂ ist, aber größer als 0 sein wird, wenn eine bessere Information verfügbar ist.
Wobei C_ν ein bekannter Wert ist.
Wobei T₁ die Temperatursensorablesung ist und Datenblattinformation umfasst.
Wobei p₁ die Drucksensorablesung ist und Datenblattinformation umfasst.
Wobei Δp die Deltadrucksensorablesung ist und Datenblattinformation umfasst.
Die verschiedenen Werte, die in den oben stehenden Gleichungen verwendet sind, sind definiert als:

C_ν ist der charakteristische Wert eines Ventils [gal/min];
p₁ ist der Absolutwert des oberstromigen Druckes des Anodenentlüftungsventils 26 [kPa];
p₂ ist der Absolutwert des unterstromigen Druckes des Anodenentlüftungsventils 26 [kPa];
T₁ ist die Gastemperatur an dem Anodenentlüftungsventileinlass [K];
Δp_BleedValve ist die Druckdifferenz über dem Anodenentlüftungsventil 26 [kPa];
M_Bleed ist das Molgewicht der Anodenentlüftungsströmung [g/mol];
M_i ist das Molgewicht der Spezies i = N₂, H₂, H₂O [g/mol];
x_i,Bleed ist der Molenbruch der Spezies i in dem Anodenentlüftungsgas;
dm_Air,Cath,In ist der gemessene Luftmassendurchsatz an dem Stapelkathodeneinlass – die Toleranz des Massenstromsensors;
ist die Wasserstoffströmung an dem Stapelanodenauslass [mol/s];
ist die Stickstoffströmung an dem Stapelanodenauslass [mol/s];
dn_{N₂,Cath,Out} ist die Stickstoffströmung an dem Stapelanodenauslass [mol/s];
ist die Sauerstoffströmung an dem Stapelanodenauslass [mol/s];
ist die Stickstoffströmung, die von der Stapelkathodenseite durch die Membran/en in die Stapelanodenseite dringt [mol/s];
ist der verdampfte Wasserstrom an dem Stapelkathodenauslass [mol/s];
ist der verdampfte Wasserstrom an dem Stapelanodenauslass [mol/s];
I ist der Stapelstrom [A] und die Toleranz des Sensors;
n ist die Anzahl von Zellen in dem Stapel;
Q_e ist die Elementarladung (1,6022 e–19 Coulomb);
N_a ist die Avogadro-Konstante (6,022 e23);
M_Air ist das maximale Molgewicht an Luft bei allen Umgebungsbedingungen, in denen ein Fahrzeugbetrieb möglich ist [g/mol];
ist der minimale Molenbruch von Sauerstoff in der Luft bei allen Umgebungsbedingungen, in denen ein Fahrzeugbetrieb möglich ist;
ist der minimale Molenbruch von Stickstoff in der Luft bei allen Umgebungsbedingungen, in denen ein Fahrzeugbetrieb möglich ist; und
ist der maximal zugelassene Molenbruch von Wasserstoff in der Luft am Ende des hinteren Auspuffrohres.

Der Wert
ist abhängig von der Stapeltemperatur und dem Stickstoffpartialdruck und kann mithilfe von Membrandurchdringungsmodellen berechnet werden. Der Wert
= 0 könnte durch einen besseren Wert ersetzt sein, wenn dieser Strom genau bekannt ist.
Die gewünschte Luftmassenströmung kann berechnet werden als:
Wobei dm_{Air,Cath,In,des} die gewünschte Luftmassenströmung an dem Kathodeneinlass ist und
der maximale Molenbruch von Wasser in der Luft bei allen Umgebungsbedingungen ist, in denen ein Fahrzeugbetrieb möglich ist. Wasser wird nicht berücksichtigt, da es kondensieren kann, bevor das Abgas das hintere Auspuffrohr verlässt. Wenn der Gehalt an verdampftem Wasser an dem Ende des hinteren Auspuffrohres bekannt ist, könnte er in die Formel integriert werden, um den Luftströmungsbefehl zu reduzieren.
Die die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne weiteres erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodenseite und einer Anodenseite; einen Verdichter (30), der eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) bereitstellt; einen Luftströmungssensor (46), der die Luftströmung von dem Verdichter (30) empfängt und ein Strömungssignal bereitstellt; ein Entlüftungsventil (26) zum periodischen Entlüften von Anodenabgas aus der Anodenseite des Stapels (12); einen Mischknotenpunkt (36) zum Mischen eines Kathodenabgases und des entlüfteten Anodenabgases während der Entlüftung; und ein Controller-Subsystem (60) zum Steuern des Verdichters (30) und des Entlüftungsventils (26), sodass die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas unter einem vorbestimmten Prozentsatz liegt, wobei das Controller-Subsystem (60) ein Stapelsteuermodul (62) zum Erzeugen eines ersten Luftströmungsanforderungssignals zum Öffnen des Entlüftungsventils (26) umfasst, wobei das Controller-Subsystem (60) ferner ein Anodensteuermodul (64) umfasst, welches das erste Luftströmungsanforderungssignal empfängt und ein Entlüftungsbefehlsignal an das Entlüftungsventil (26) bereitstellt, um das Entlüftungsventil (26) zu öffnen und die Entlüftung bereitzustellen, wobei das Anodensteuermodul (64) ein zweites Luftströmungsanforderungssignal bereitstellt, das ermittelt, wie viel Luftströmung von dem Verdichter (30) erforderlich ist, um den Wasserstoff in dem Anodenabgas derart zu verdünnen, dass er unter dem vorbestimmten Prozentsatz liegt, wobei das Controller-Subsystem (60) einen Maximumprozessor (76) umfasst, der derart ausgestaltet ist, dass er das erste Luftströmungsanforderungssignal von dem Stapelsteuermodul (62) und das zweite Luftströmungsanforderungssignal von dem Anodensteuermodul (64) vergleicht und das größere der beiden auswählt, wobei das Controller-Subsystem (60) ferner ein Kathodensteuermodul (78) umfasst, welches das größere von dem ersten und dem zweiten Luftströmungsanforderungssignal empfängt und das Strömungssignal der Luftströmung von dem Luftströmungssensor (46) empfängt, wobei das Kathodensteuermodul (78) ein Signal bereitstellt, um die Drehzahl des Verdichters (30) zu steuern, um die Wasserstoffkonzentration während einer Anodenabgasentlüftung unter dem vorbestimmten Niveau zu halten.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem ersten Drucksensor (40) zum Messen des Druckes des Anodenabgases, einem zweiten Drucksensor (42) zum Messen des Deltadruckes über das Entlüftungsventil (26) hinweg und einem Temperatursensor (44) zum Messen der Temperatur des Anodenabgases, wobei das Anodensteuermodul (64) die gemessenen Drücke und die Temperaturen verwendet, um das Luftströmungsanforderungssignal zu berechnen.
Verfahren zum Begrenzen der Konzentration an Wasserstoff in einem gemischten Kathoden- und Anodenabgas aus einem Brennstoffzellenstapel (12), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Anodenabgas, das mit dem Kathodenabgas aus dem Stapel (12) gemischt werden soll, periodisch entlüftet wird; und ein Verdichter (30) und ein Entlüftungsventil (26) derart gesteuert werden, dass die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas unter einem vorbestimmten Prozentsatz liegt, wobei das Steuern eines Verdichters (30) und eines Entlüftungsventils (26) umfasst, dass ein Ventilöffnungsmodell verwendet wird, um die Strömungsrate des Anodenabgases durch das Entlüftungsventil (26) zu berechnen, um zu ermitteln, wie viel Luftströmung von dem Verdichter (30) erforderlich ist, um den Wasserstoff in dem Anodenabgas derart zu verdünnen, dass er unter dem vorbestimmten Prozentsatz liegt, wobei ein erstes Luftströmungsanforderungssignal von einem Stapelsteuermodul (62) zum Öffnen des Entlüftungsventils (26) erzeugt wird, das erste Luftströmungsanforderungssignals von einem Anodensteuermodul (64) empfangen wird, das ein Entlüftungsbefehlssignal an das Entlüftungsventil (26) erzeugt, um das Entlüftungsventil (26) zu öffnen und die Entlüftung bereitzustellen, ein zweites Luftströmungsanforderungssignal von dem Anodensteuermodul (64) erzeugt wird, das ermittelt, wie viel Luftströmung von dem Verdichter (30) erforderlich ist, um den Wasserstoff in dem Anodenabgas derart zu verdünnen, dass er unter dem vorbestimmten Prozentsatz liegt, das erste Luftströmungsanforderungssignal und das zweite Luftströmungsanforderungssignal verglichen werden und das größere der beiden ausgewählt wird, anhand des größeren von dem ersten und dem zweiten Luftströmungsanforderungssignal und einem Messsignal einer von dem Verdichter (30) an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) bereitgestellten Luftströmung ein Signal erzeugt wird, um die Drehzahl des Verdichters (30) zu steuern, um die Wasserstoffkonzentration während einer Anodenabgasentlüftung unter dem vorbestimmten Niveau zu halten.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Steuern eines Verdichters (30) und eines Entlüftungsventils (26) umfasst, dass die Verdichterluftströmung erhöht wird, um zuzulassen, dass das Entlüftungsventil (26) in dem Fall geöffnet wird, in dem eine Luftströmung zu dem Stapel (12) unter einem vorbestimmten Wert liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, welches ferner umfasst, dass der Druck des Anodenabgases gemessen wird, der Deltadruck über das Entlüftungsventil (26) hinweg gemessen wird und die Temperatur des Anodenabgases gemessen wird, wobei das Steuern eines Verdichters (30) und eines Entlüftungsventils (26) umfasst, dass die gemessenen Drücke und die Temperaturen verwendet werden, um die Strömungsrate des Anodenabgases durch das Entlüftungsventil (26) zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Steuern eines Verdichters (30) und eines Entlüftungsventils (26) umfasst, dass Sensorungenauigkeiten und Herstellungstoleranzen in dem Ventilöffnungsmodell verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Konzentration an Wasserstoff in dem gemischten Anoden- und Kathodenabgas unter dem bestimmten Prozentsatz liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Steuern eines Verdichters (30) und eines Entlüftungsventils (26) umfasst, dass die Gleichung:
verwendet wird, wobei kν der charakteristische Wert für das Entlüftungsventil (26) ist, Q die Strömungsrate des durch das Entlüftungsventil (26) strömenden Anodenabgases ist, p₁ der Druck am Einlass des Entlüftungsventils (26) ist, p₂ der Druck am Auslass des Entlüftungsventils (26) ist, ρ_n die Dichte des Anodenabgases ist und T die Temperatur des Anodenabgases ist.