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DE-102015105724-B4 - Gefrierstrategie für Brennstoffzellen-Kathoden-Nebenanlagen

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10) mit einem Kathoden-Subsystem, wobei das Kathoden-Subsystem Folgendes umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (12); - eine Kathodeneinlassleitung (22), die Kathodenluft an den Brennstoffzellenstapel (12) bereitstellt; - eine Kathodenabgasleitung (26), die ein Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (12) ablässt; - ein Gegendruckventil (34) in der Kathodenabgasleitung (26), wobei das Gegendruckventil (34) einer Ablaufschiene (82) der Kathodenabgasleitung (26) nachgeschaltet ist, wobei die Ablaufschiene (82) einen Vorsprung enthält, der das Aufstauen von kondensiertem Wasser vor dem Gegendruckventil (34) verhindert, wobei die Ablaufschiene (82) ferner einen Sammelbehälter (84) enthält, der Tropfen des kondensierten Wassers aus dem Vorsprung der Ablaufschiene (82) sammelt; und - ein Steuergerät (32), das derart programmiert ist, um die Temperatur des Gegendruckventils (34) zu bestimmten und das flüssige Wasser vor dem Gegendruckventil (34) zu schätzen, wobei das Steuergerät (32) eine Gefrierreinigungs-Strategie durchführt, falls die Temperatur und das flüssige Wasser vor dem Gegendruckventil (34) vorbestimmte Grenzwerte erreicht haben.

Inventors

  • Bruce Clingerman
  • Aaron Rogahn
  • Michael Cartwright
  • Steven Burch

Assignees

  • GM Global Technology Operations LLC

Dates

Publication Date
20260507
Application Date
20150415
Priority Date
20140423

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem (10) mit einem Kathoden-Subsystem, wobei das Kathoden-Subsystem Folgendes umfasst: - einen Brennstoffzellenstapel (12); - eine Kathodeneinlassleitung (22), die Kathodenluft an den Brennstoffzellenstapel (12) bereitstellt; - eine Kathodenabgasleitung (26), die ein Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (12) ablässt; - ein Gegendruckventil (34) in der Kathodenabgasleitung (26), wobei das Gegendruckventil (34) einer Ablaufschiene (82) der Kathodenabgasleitung (26) nachgeschaltet ist, wobei die Ablaufschiene (82) einen Vorsprung enthält, der das Aufstauen von kondensiertem Wasser vor dem Gegendruckventil (34) verhindert, wobei die Ablaufschiene (82) ferner einen Sammelbehälter (84) enthält, der Tropfen des kondensierten Wassers aus dem Vorsprung der Ablaufschiene (82) sammelt; und - ein Steuergerät (32), das derart programmiert ist, um die Temperatur des Gegendruckventils (34) zu bestimmten und das flüssige Wasser vor dem Gegendruckventil (34) zu schätzen, wobei das Steuergerät (32) eine Gefrierreinigungs-Strategie durchführt, falls die Temperatur und das flüssige Wasser vor dem Gegendruckventil (34) vorbestimmte Grenzwerte erreicht haben.
  2. System (10) nach Anspruch 1 , ferner umfassend eine Umgehungsleitung (28), welche die Kathodeneinlassluft unter Verwendung eines Umgehungsventils (30) zur Kathodenabgasleitung (26) lenkt, wobei sich das Umgehungsventil (30) nachgeschaltet zu der Kathodeneinlassleitung (22) in der Umgehungsleitung (28) befindet, wobei die Umgehungsleitung (28) wenigstens eine Windung enthält, die dem Umgehungsventil (30) nachgeschaltet ist, die ein Verspritzen von Wasser in der Kathodenabgasleitung (26) gegen das Umgehungsventil (30) verhindert.
  3. System (10) nach Anspruch 1 , ferner umfassend einen Ladeluftkühler (64) und eine Wasserdampf-Transfereinheit (24) in der Kathodeneinlassleitung (22), wobei sich der Ladeluftkühler (64) in der Kathodeneinlassleitung (22) befindet und in die Wasserdampf-Transfereinheit (24) in der Kathodeneinlassleitung (22) zugeführt ist, wobei der Ladeluftkühler (64) durch eine Kühlmittelschlaufe gekühlt wird, wobei ein Drucksensor (68) derart am Ladeluftkühler (64) positioniert ist, sodass der Druck der Kathodeneinlassluft (22) gemessen wird, nachdem die Luft durch den Ladeluftkühler (64) abgekühlt worden ist und der Druck der Kathodeneinlassluft (22) gemessen wird, bevor die Wasserdampf-Transfereinheit (24) Wasser zur Kathodeneinlassluft hinzufügt.
  4. System (10) nach Anspruch 3 , ferner umfassend einen Abfluss (70), der sich direkt unterhalb der Wasserdampf-Transfereinheit (24) befindet, wobei der Abfluss (70) einen Sammelbehälter (84) enthält, der flüssiges Wasser von der Wasserdampf-Transfereinheit (24) in die Kathodenabgasleitung (26) durch eine Öffnung (74) ablässt.
  5. System (10) nach Anspruch 4 , ferner umfassend ein Gitter, das im Abfluss (70) direkt über der Öffnung (74) sitzt, wobei sich ein Abschnitt des Abflusses (70), der die Öffnung (74) und das Gitter enthält, derart in die Kathodenabgasleitung (26) hinein erstreckt, dass die Wärme von der Kathodenabgasleitung (26) in der Lage ist, Eis, das sich an der Öffnung (74) des Abflusses (70) ansammeln kann, zu schmelzen.
  6. System (10) nach Anspruch 5 , wobei der Abschnitt des Abflusses (70), der sich in der Nähe des Gitters und der Öffnung (74) befindet, aus einem wärmeleitfähigen Material besteht.
  7. System (10) nach Anspruch 1 , wobei das Gegendruckventil (34) ein invertiertes Siphonventil ist, das sich in einem erhöhten Bereich der Kathodenabgasleitung (26) befindet.

Description

STAND DER TECHNIK Gebiet der Erfindung Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System zur selektiven Bereitstellung einer Gefrierstrategie für ein Kathoden-Subsystem eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere ein System zur selektiven Bereitstellung einer Gefrierstrategie, die das Gefrieren von Komponenten in den Nebenanlagen des Kathoden-Subsystems verhindert. Erörterung der verwandten Technik Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, um Elektrizität effizient in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist ein elektro-chemisches Gerät, das eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen liegenden Elektrolyten enthält. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas ist in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten hindurch in die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode einer oder mehrerer Endzellen können nicht durch den Elektrolyten hindurchtreten und werden deshalb durch eine Last geleitet, um ihre Arbeit dort zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind für Fahrzeuge beliebte Brennstoffzellen. Die PEMFC enthält im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolyt-, protonleitende Membran, wie z.B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode enthalten typischerweise fein aufgeteilte katalytische Partikel, gewöhnlich aus Platin (Pt), die an Kohlenstoffpartikeln gestützt und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodengruppe (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Es werden typischerweise mehrere Brennstoffzellen in einen Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann z.B. zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingabe-Reaktantgas, typischerweise ein Strom von Luft, der durch einen Kompressor durch den Stapel geblasen wird. Nicht alles des Sauerstoffs wird vom Stapel verbraucht und Einiges der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Nebenprodukt des Stapels enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ebenfalls ein Anodenwasserstoff-Reaktantgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel enthält ebenfalls Strömungskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt. Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs im Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten enthalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für die benachbarten Brennstoffzellen im Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind an der Anodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, die es dem Anoden-Reaktantgas ermöglichen, zur entsprechenden Seite der MEA zu strömen. Kathodengas-Strömungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten bereitgestellt, die es dem Kathoden-Reaktantgas ermöglichen, zur entsprechenden Seite der MEA zu strömen. Eine Endplatte enthält Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte enthält Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie z.B. einem Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundstoff. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität durch den Stapel. Die Bipolarplatten enthalten ebenfalls Strömungskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt. Es versteht sich gemäß dem Stand der Technik, dass Brennstoffzellenmembrane mit einem gesteuerten Hydrationsstand derart arbeiten, dass der ionische Widerstand über die Membran gering genug ist, um Protonen effektiv zu leiten. Die relative Feuchtigkeit (RH) des Kathodenausgabegases vom Brennstoffzellenstapel wird typischerweise derart gesteuert, um den Hydrationsstand der Membranen zu steuern, indem mehrere Stapelbetriebsparameter gesteuert werden, wie z.B. der Stapeldruck, die Temperatur, Kathodenstöchiometrie und die relative Feuchtigkeit der Kathodenluft in den Stapel. Gemäß dem Stand der Technik ist bekannt, Wasser aus dem Kathodenabgasstrom zurückzugewinnen und es dem Stapel über den Kathodeneinlass-Luftstrom zurückzuführen. Dabei könnten vielerlei Geräte verwendet werden, um diese Funktion auszuführen, wie z.B. eine Wasserdampf-Transfereinheit (WVT). Durch Halten eines bestimmten Sollpunkts für die relative Feuchtigkeit der Kathodenausgabe, von z.B. 80 %, kann der ordnungsgemäße Stapelmembran-Hydrations