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Die
Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren des Durchsatzes an Luft,
die in die Kathode einer Brennstoffzelle eingelassen wird.
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Die
Erfindung betrifft noch genauer ein Regelungsverfahren des Luftdurchsatzes,
der in die Kathode einer Brennstoffzelle eingelassen wird, die sich an
Bord eines Kraftfahrzeugs befindet, von der Art, bei welcher die
Brennstoffzelle eine kathodische Versorgungsleitung aufweist, welche
die Kathode mit Luft und insbesondere mit Sauerstoff versorgt, und eine
kathodische Auslassleitung, welche die Luft nach dem Verbrauch von
Sauerstoff durch die Kathode auslässt, und in welcher die kathodische
Versorgungsleitung ein gesteuertes Regelungsbauteil des Durchsatzes
an Einlassluft aufweist, insbesondere in Abhängigkeit von Betriebsparametern
des Motors.
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Eine
Brennstoffzelle wird hauptsächlich
aus zwei Elektroden gebildet, einer Anode und einer Kathode, welche
durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Diese Art von
Zelle erlaubt das direkte Umwandeln in elektrische Energie der Energie,
die durch die nachfolgenden Oxidations-Reduktions-Reaktionen erzeugt
wird:
- – eine
Oxidationsreaktion eines Brennstoffs oder Kraftstoffs, welcher die
Anode kontinuierlich versorgt; und
- – eine
Reduktionsreaktion eines Sauerstoffträgers, welcher die Kathode kontinuierlich
versorgt.
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Die
Brennstoffzellen, welche zum Liefern der elektrischen Energie an
Bord von Kraftfahrzeugen verwendet werden, sind im Allgemeinen von
der Art mit festem Elektrolyt, insbesondere mit einem Elektrolyten
aus Polymer. Eine derartige Zelle verwendet insbesondere Wasserstoff
(H2) und Sauerstoff (O2) jeweils
in der Form von einem Brennstoff und einem Sauerstoffträger.
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Gegenüber thermischen
Motoren, welche mit den Abgasen eine nicht-vernachlässigbare Menge an verschmutzenden
Substanzen wieder ausstoßen,
bietet die Brennstoffzelle insbesondere den Vorteil, nur das Wasser,
welches durch die Reduktionsreaktion an der Kathode erzeugt wird,
wieder auszustoßen.
Des Weiteren kann der Sauerstoffträger einer Zelle von der zuvor
beschriebenen Art Umgebungsluft sein, deren Sauerstoffgehalt (O2) reduziert ist.
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Die
durch die Zelle erzeugte elektrische Leistung ist proportional zu
den Durchsätzen
an Sauerstoffträger
und Kraftstoff.
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Um
die elektrische Leistung, welche durch die Brennstoffzelle erzeugt
wird, zu regulieren, ist es bekannt, den Luftdurchsatz und den Wasserstoffdurchsatz
variieren zu lassen, welche die Brennstoffzelle versorgen. Der Luftdurchsatz
und der Wasserstoffdurchsatz werden im Allgemeinen in Abhängigkeit
von der elektrischen Leistung, die für das Fahrzeug gefordert wird,
vorherbestimmt.
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Das
Patent „Patent
Abstract of Japan vol. 0164, Nr. 01" &
JP 4 133 271 A stellt
eine Brennstoffzelle vor, die eine Kathode aufweist, welche mit
Luft versorgt wird, die Sauerstoff enthält. Es schlägt vor, die in die Kathode
eingelassene Luft zu regeln, indem man sie mit einem zweiten, an
Sauerstoff reichhaltigen Gas mischt. Eines der Probleme dieses Systems ist,
dass die Regelung des Durchsatzes an Luft, die in die Kathode eingelassen
wird, nicht effizient ist.
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Das
Patent
DE 19 629 265
A stellt des Weiteren ein Verfahren zum Regeln des Drucks
von Gas vor, das in die Kathode einer Brennstoffzelle eingelassen
wird, in Abhängigkeit
von der elektrischen Leistung oder der thermischen Leistung, welche
die Brennstoffzelle liefern muss. Bei diesem Verfahren werden der
Luftdurchsatz und der Gehalt an Sauerstoff der Luft in einer Art
und Weise geregelt, dass die Brennstoffzelle eine bestimmte elektrische
Leistung liefert. Eines der Probleme dieses Systems ist, dass der
Luftdurchsatz schlecht geregelt wird.
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Wie
zuvor angegeben, verbraucht die Brennstoffzelle lediglich den Sauerstoff
(O2), der in der Luft enthalten ist. Indem
man einen Luftdurchsatz, der in Abhängigkeit von der von der Zelle
geforderten elektrischen Leistung bestimmt wird, entsprechen lässt, wird
die Luft als Luft erachtet, welche einen im Wesentlichen konstanten
Prozentsatz an Sauerstoff aufweist.
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Der
Prozentsatz an Sauerstoff (O2), der in der
Luft vorhanden ist, variiert jedoch je nach dem Ort, wo sich das
Fahrzeug befindet. An einem abgeschlossenen Ort, wie z.B. einer
Tiefgarage, kann somit die Luft ärmer
an Sauerstoff sein als auf einer Landstraße.
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Auch
wenn sich das Fahrzeug in einer Umgebung bewegt, deren Luft arm
an Sauerstoff (O2) ist, erlaubt der Luftdurchsatz,
der für
eine Luft festgelegt ist, die einen normalen Prozentsatz an Sauerstoff enthält, keine
ausreichende Versorgung der Brennstoffzelle mit Sauerstoff. Die
Brennstoffzelle kann somit nicht die geforderte elektrische Leistung
liefern.
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Um
diese Probleme zu lösen,
schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren von der zuvor beschriebenen
Art vor, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist:
- a) einen Schritt einer Messung des Konzentrationsunterschieds
an Sauerstoff zwischen einem Referenzgas und der Luft, die in der
kathodischen Auslassleitung strömt;
und
- b) einen Schritt einer Berechnung des Unterschieds zwischen
dem gemessenen Wert und einem Referenzwert; und
- c) einen Schritt einer Bestimmung eines optimalen Durchsatzes
an Einlassluft in Abhängigkeit von
dem Ergebnis der Berechnung; und
- d) einen Schritt einer Steuerung des Regelungsbauteils zum Erhalten
des optimalen Luftdurchsatzes.
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Gemäß anderen
Merkmalen der Erfindung:
- – wird die Messung des Messschritts
mittels einer Lambdasonde realisiert, welche in der kathodischen
Auslassleitung angeordnet ist und welche den Konzentrationsunterschied
an Sauerstoff zwischen der Umgebungsluft und der Luft misst, die in
der kathodischen Auslassleitung strömt;
- – ist
das Regelungsbauteil des Luftdurchsatzes eine Komprimierungseinrichtung
von Luft, die stromaufwärts
der Kathode angeordnet ist;
- – ist
das Regelungsbauteil ein motorgetriebener Ventilator, der in der
kathodischen Versorgungsleitung angeordnet ist;
- – wird,
wenn der gemessene Wert niedriger als ein vorherbestimmter Schwellenwert
ist, dann ein Warnsignal in die Fahrgastzelle des Fahrzeugs ausgesendet;
- – wird,
wenn der gemessene Wert niedriger als ein vorherbestimmter Schwellenwert
ist, der Betrieb der Brennstoffzelle unterbrochen.
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Die
Erfindung betrifft des Weiteren eine Regelungsvorrichtung des Durchsatzes
an Luft, die in die Kathode einer Brennstoffzelle eingelassen wird, die
sich an Bord eines Kraftfahrzeugs befindet, von der Art, in welcher
die Brennstoffzelle eine kathodische Versorgungsleitung aufweist,
welche die Kathode mit Luft und insbesondere mit Sauerstoff (O2) versorgt, und eine kathodische Auslassleitung,
welche die Luft nach dem Verbrauch von Sauerstoff (O2) durch
die Kathode auslässt
und bei welcher die kathodische Versorgungsleitung ein gesteuertes
Regelungsbauteil des Durchsatzes an Einlassluft aufweist, insbesondere
in Abhängigkeit
von Betriebsparametern des Motors, dadurch gekennzeichnet, dass
sie ausgestaltet ist, um den Konzentrationsunterschied (Omes) an Sauerstoff (O2)
zwischen einem Referenzgas und der Luft zu messen, welche in der
kathodischen Auslassleitung strömt.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Verlaufe der Lektüre der detaillierten, nachfolgenden
Beschreibung offenbar werden, für deren
Verständnis
man sich auf die einzige, beigefügte
Figur beziehen wird, welche schematisch eine Einrichtung zur Erzeugung
von Elektrizität
darstellt, die mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist und welche
eine Vorrichtung zum Realisieren des Verfahrens gemäß den Lehren
der Erfindung aufweist.
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Man
hat in der einzigen Figur eine Einrichtung zur Erzeugung von Elektrizität 10 dargestellt,
die sich an Bord eines Kraftfahrzeugs befindet. Die Einrichtung 10 weist
insbesondere eine Brennstoffzelle 12 auf, welche Elektrizität erzeugt,
wenn sie mit einem Sauerstoffträger
und mit Kraftstoff versorgt wird.
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Die
Brennstoffzelle 12 weist eine Anode 14 und eine
Kathode 16 auf, welche hier durch eine Membran aus Polymer 18 voneinander
getrennt sind, die den Elektrolyten bildet.
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Die
Kathode 16 weist eine kathodische Versorgungsöffnung 20 auf, über welche
sie mit einem Sauerstoffträger
versorgt bzw. gespeist wird, der hier Luft ist, und sie weist eine
kathodische Auslassöffnung 22 auf, über welche
der Überschuss
an Sauerstoffträger
ausgelassen wird.
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Gleichermaßen weist
die Anode 14 eine anodische Versorgungsöffnung 24 auf, über welche
sie mit Kraftstoff versorgt wird, der hier ein Reforming-Erzeugnis
(frz. reformât)
ist, der insbesondere aus Wasserstoff (H2)
gebildet ist, und sie weist eine anodische Auslassöffnung 26 auf, über welche
der Überschuss
an Kraftstoff ausgelassen wird.
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Die
Einrichtung 10 weist eine erste Versorgungsleitung 28 der
Kathode 16 für
den Sauerstoffträger
und insbesondere für
Luft auf, und sie weist eine zweite Versor gungsleitung 30 der
Anode 14 für den
Kraftstoff, und insbesondere für
den Wasserstoff (H2) auf.
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Die
erste Versorgungsleitung 28 der Kathode 16 ist
insbesondere aus einem Einlassmodul für Umgebungsluft 32 zusammengesetzt,
in welches die Umgebungsluft über
einen Eingangsabschnitt 34 eingelassen wird und welches
die Kathode 16 über
eine kathodische Versorgungsleitung 36, die mit der kathodischen
Versorgungsöffnung 20 verbunden
ist, mit Luft versorgt.
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Das
Lufteinlassmodul 32 ist insbesondere dafür bestimmt,
den Durchsatz an Luft, die in die Kathode 16 eingelassen
wird, zu regeln. Das Lufteinlassmodul 32 weist gemäß dieser
Ausführungsform der
Erfindung einen Kompressor (nicht dargestellt) auf.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, die nicht dargestellt ist, weist das Lufteinlassmodul 32 einen
motorgetriebenen Ventilator auf, der in der kathodischen Einlassleitung 36 angeordnet
ist.
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Die
zweite Versorgungsleitung 30 der Anode 14 setzt
sich hauptsächlich
aus einem Tank 38, der eine Kohlenwasserstoffverbindung
wie beispielsweise Benzin aufweist, und einem Reformer (frz. reformeur) 40 zusammen.
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Ein
Rohrstutzen zur Versorgung mit Kohlenwasserstoff 42 ist über ein
erstes Ende 44 mit dem Tank 38 und über ein
zweites Ende mit einer Eingangsöffnung 46 des
Reformers 40 verbunden.
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Der
Reformer 40 ist hier dafür bestimmt, den Wasserstoff
(H2), der in der Kohlenwasserstoffverbindung
enthalten ist, zu extrahieren. Nach der Extraktion des Wasserstoffs
(H2) stößt er über eine
Ausgangsöffnung 48 einen
Kraftstoff oder ein Reforming-Erzeugnis, das den Wasserstoff (H2) enthält,
in einen Versorgungs rohrstutzen 50 der Anode 14 wieder
aus, der mit der anodischen Versorgungsöffnung 24 verbünden ist.
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Während dem
Betrieb der Brennstoffzelle 12 verbraucht die Anode 14 einen
Teil des Wasserstoffs (H2), der in dem Reforming-Erzeugnis
enthalten ist, wobei das überschüssige Reforming-Erzeugnis durch
die anodische Auslassöffnung 26 wieder
ausgestoßen
wird.
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Die
anodische Auslassöffnung 26 mündet in einen
anodischen Auslassrohrstutzen 52, der das überschüssige Reforming-Erzeugnis
bis zu einer Versorgungsöffnung 54 eines
Brenners 56 leitet, der in den Reformer 40 integriert
ist. Der Brenner 56 ist insbesondere dafür bestimmt,
das überschüssige Reforming-Erzeugnis
derart zu verbrauchen, um die für
den Betrieb des Reformers 40 erforderliche Wärme zu liefern.
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Während dem
Betrieb der Brennstoffzelle 12 verbraucht die Kathode 16 einen
Teil des Sauerstoffs (O2), der in der Luft
enthalten ist, wobei die überschüssige Luft
durch die kathodische Auslassöffnung 22 wieder
ausgestoßen
wird.
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Die
Auslassöffnung
der Kathode 16 mündet in
eine kathodische Auslassleitung 58, welche die überschüssige Luft
in die Atmosphäre
ausstößt. Gemäß den Lehren
der Erfindung ist eine Sonde zur Erfassung von Sauerstoff 60,
welche in dieser Ausführungsform
der Erfindung eine Sonde vom Typ Lambda ist, in der kathodischen
Auslassleitung 58 zwischengeschaltet.
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Gemäß einer
herkömmlichen,
dem Fachmann bekannten Verwendung wird ein Referenzabschnitt 62 der
Lambdasonde 60 mit der Umgebungsluft in Kontakt gebracht,
welche hier durch eine Luftleitung 64 befördert wird.
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Die
Einrichtung 10 weist ebenso eine elektronische Steuerungseinheit 66 auf,
die dafür
bestimmt ist, den Betrieb der Brennstoffzelle 12 zu steuern.
Die elektroni sche Steuerungseinheit 66 ist insbesondere über elektrische
Leitungsdrähte,
die in der einzigen Figur in gestrichelten Linien dargestellt sind,
mit der Lambdasonde 60, dem Reformer 40, dem Lufteinlassmodul 32 und
der Steuerungsvorrichtung der Leistung 68 verbunden, die
in der Fahrgastzelle des Fahrzeugs angeordnet ist und welche z.B.
ein Gaspedal sein kann.
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Wenn
somit der Fahrer des Fahrzeugs elektrische Leistung über das
Pedal 68 anfordert, steuert die elektronische Steuerungseinheit 66 das
Lufteinlassmodul 32 einerseits und den Reformer 40 andererseits,
derart, um Durchsätze
von dem Sauerstoffträger
und dem Kraftstoff zu liefern, die in Abhängigkeit von der Leistung der
geforderten elektrischen Leistung festgelegt sind.
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Wir
werden nun das Verfahren beschreiben, welches eine derartige Einrichtung 10 gemäß den Lehren
der Erfindung umsetzt. Dieses Verfahren ist dafür bestimmt, den Luftdurchsatz
in Abhängigkeit von
seinem Sauerstoffgehalt anzupassen, wenn der Fahrer elektrische
Leistung von der Brennstoffzelle 12 für den Motor des Fahrzeugs anfordert.
Die Brennstoffzelle 12 wird somit mit einem Sauerstoffträger und
mit einem Kraftstoff versorgt, und sie stößt über die anodische Auslassöffnung und
die kathodische Auslassöffnung
den Uberschuss an dem Reforming-Erzeugnis und an Luft jeweils wieder
aus.
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Das
Verfahren weist hier vier Hauptschritte auf:
- a)
einen ersten Schritt E1 einer Messung des Konzentrationsunterschieds
Omes an Sauerstoff zwischen der Umgebungsluft
und der Luft, die in der kathodischen Auslassleitung 58 strömt; und
- b) einen zweiten Schritt E2 einer Berechnung des Unterschieds
(Omes – Oref) zwischen dem gemessenen Wert Omes und einem Referenzwert Oref; und
- c) einen dritten Schritt E3 der Bestimmung eines optimalen Durchsatzes
an Einlassluft in Abhängigkeit
von dem Ergebnis (Omes – Oref)
der Berechnung; und
- d) einen vierten Schritt E4 der Steuerung des Regelungsbauteils
zum Erhalten des optimalen Luftdurchsatzes.
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Während dem
ersten Schritt E1 führt
die kathodische Auslassleitung 58 die durch die kathodische
Auslassöffnung 22 nach
dem Verbrauch eines Teils ihres Sauerstoffs durch die Brennstoffzelle 12 wieder
ausgestoßene
Luft bis zur Lambdasonde 60. Die Lambdasonde 60 sendet
dann zur elektronischen Steuerungseinheit 66 ein elektrisches
Signal, welches die Messung Omes des Konzentrationsunterschieds
an Sauerstoff zwischen der Umgebungsluft und der Luft bildet, welche
in der kathodischen Auslassleitung 58 strömt. Das
elektrische Signal hat tatsächlich
eine Intensität
proportional zum Konzentrationsunterschied an Sauerstoff zwischen
der Umgebungsluft bzw. atmosphärischen
Luft und der Luft, die in der kathodischen Auslassleitung 58 strömt.
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Sodann
zieht die elektronische Steuerungseinheit 66 während dem
zweiten Schritt E2 den Wert der Messung Omes,
der durch die Lambdasonde 60 ausgesendet wird, von einem
Referenzwert Oref ab. Der Referenzwert Oref wird in einen Speicher in der elektronischen
Steuerungseinheit 66 eingegeben. Der Referenzwert Oref ist hier der theoretische Wert des Konzentrationsunterschieds
an Sauerstoff zwischen der Umgebungsluft und der Luft, die in der
kathodischen Auslassleitung 58 strömt, wenn die Umgebungsluft
einen normalen Anteil an Sauerstoff aufweist, d.h. in etwa 21 %.
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Da
somit der Sauerstoffanteil der Umgebungsluft niedriger als der normale
Anteil ist, unterscheidet sich der gemessene Wert Omes auf
deutliche Art und Weise von dem Referenzwert Oref.
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Während dem
dritten Schritt E3 bestimmt die elektronische Steuerungseinheit 66 einen
optimalen Luftdurchsatz, ausgehend von einem Kennfeld, das im Speicher
gespeichert ist, in Abhängigkeit
von dem Ergebnis der Subtraktion (Omes – Oref), die während dem zweiten Schritt E2
ausgeführt
wird. Der optimale Luftdurchsatz wird in einer Weise definiert,
dass der Durchsatz an Sauerstoff, der durch die Brennstoffzelle 12 hindurchgeht,
mindestens ausreichend ist, damit die Zelle 12 die durch
den Fahrer angeforderte elektrische Leistung liefert.
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Schließlich steuert
während
dem vierten Schritt E4 die elektronische Steuerungseinheit 66 das
Lufteinlassmodul 32 derart, dass der eingelassene Luftdurchsatz
im Wesentlichen gleich zu dem optimalen Luftdurchsatz ist.
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Gemäß einer
Variante der Erfindung wird, wenn die Differenz (Omes – Oref), die während dem zweiten Schritt E2
berechnet wird, niedriger als ein Warn-Schwellenwert ist, ein Warnsignal in
die Fahrgastzelle des Fahrzeugs ausgesendet, um den Fahrer davor
zu warnen, dass die Umgebungsluft zu arm an Sauerstoff ist, um auf
ausreichende Art und Weise die Brennstoffzelle 12 zu versorgen,
selbst durch Erhöhen
des Luftdurchsatzes in den Verhältnissen,
die durch die Kapazitäten
des Lufteinlassmoduls 32 erlaubt werden.
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Gemäß einer
anderen Variante der Erfindung wird, wenn die Differenz (Omes – Oref), die während dem zweiten Schritt E2
berechnet wird, niedriger als ein Warn-Schwellenwert ist, der Betrieb der Brennstoffzelle 12 automatisch
durch die elektronische Steuerungseinheit 66 unterbrochen.