DE10065460A1 - System und Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle - Google Patents
System und Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer BrennstoffzelleInfo
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Abstract
Es ist ein System zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle vorgesehen. Das System umfaßt eine Brennstoffzelle, eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung der Brennstoffzelle und eine Steuerung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau. Der Widerstand der Brennstoffzelle variiert als Funktion des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle. Somit berechnet bei einem bevorzugten System die Steuerung den Widerstand der Brennstoffzelle, um das Feuchtigkeitsniveau der Brennstoffzelle zu bestimmen. Ein Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle ist auch vorgesehen. Die Schritte des Verfahrens umfassen: Bestimmen des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und Befeuchtung der Brennstoffzelle in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau. Bei einem bevorzugten Verfahren umfaßt der Schritt zur Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle die Berechnung des Widerstandes der Brennstoffzelle.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere
ein System und ein Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus ei
ner Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen haben bei vielen Anwendungen als Energiequelle Ver
wendung gefunden. Brennstoffzellen sind auch zum Gebrauch bei elek
trisch Fahrzeugantrieben als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorge
schlagen worden. Eine Brennstoffzelle mit Festpolymerelektrolyt umfaßt
eine Membran, die in einer geschichteten Beziehung zwischen einer Anode
und einer Kathode angeordnet ist. Um durch eine elektrochemische Reak
tion Elektrizität zu erzeugen, wird Wasserstoff (H2) an die Anode und Luft
oder Sauerstoff (O2) an die Kathode geliefert. In einer ersten Halbzellenre
aktion erzeugt eine Dissoziation des Wasserstoffes (H2) an der Anode Was
serstoffprotonen (H+) und Elektronen (e-). Die Membran ist protonenleitfä
hig und dielektrisch. Folglich werden die Protonen durch die Membran
transportiert, während die Elektronen durch eine über die Elektroden ver
bundene elektrische Last fließen. Auf diese Art und Weise wird Elektrizität
erzeugt. In einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O2) an der
Kathode mit Protonen (H+), und Elektronen (e-) werden aufgenommen, um
Wasser (H2O) zu bilden.
Um wirksam zu arbeiten, oder mit anderen Worten, um eine maximale
Elektrizitätsmenge zu erzeugen, muß die Brennstoffzelle richtig befeuchtet
werden. Folglich wird der Wasserstoffstrom und/oder der Luftstrom typi
scherweise durch eines von mehreren, in der Technik bekannten Verfah
ren befeuchtet. Jedoch besteht bei bekannten Befeuchtungsverfahren die
Gefahr, daß zu viel oder zu wenig Feuchtigkeit durch die Wasserstoff- und
Luftströme an die Brennstoffzelle geliefert wird. Die Lieferung von zu viel
Feuchtigkeit an die Brennstoffzelle blockiert den Zugriff der Reaktionsgase
auf den Katalysator, wodurch die elektrochemische Reaktion zwischen
dem Wasserstoff und der Luft behindert und die Erzeugung von Elektrizi
tät verringert wird. Die Lieferung von zu wenig Feuchtigkeit an die Brenn
stoffzelle beschränkt oder begrenzt den Protonentransport, der für die Re
aktion in der Brennstoffzelle erforderlich ist. Demgemäß besteht ein Be
darf, ein System und ein Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsni
veaus einer Brennstoffzelle vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein System zur Steuerung des Feuchtig
keitsniveaus einer Brennstoffzelle vor. Das System umfaßt eine Brenn
stoffzelle, eine Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung der Brennstoff
zelle und eine Steuerung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der
Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in An
sprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau. Der Widerstand der
Brennstoffzelle variiert als eine Funktion des Feuchtigkeitsniveaus der
Brennstoffzelle. Somit berechnet bei einem bevorzugten System die Steue
rung den Widerstand der Brennstoffzelle, um das Feuchtigkeitsniveau der
Brennstoffzelle zu bestimmen.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Steuerung des
Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle vor. Die Schritte des Verfahrens
umfassen: Bestimmen des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und
Befeuchten der Brennstoffzelle in Ansprechen auf das bestimmte Feuch
tigkeitsniveau. Bei einem bevorzugten Verfahren umfaßt der Schritt zur
Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle die Berechnung
des Widerstandes der Brennstoffzelle.
Die verschiedenen Merkmale, Vorteile und anderen Anwendungen der
vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Be
schreibung und die Zeichnungen offensichtlicher, in welchen:
Fig. 1 eine bildliche Darstellung eines Querschnittes eines Mem
branelektrodenaufbaus eines Brennstoffzellenaufbaues ist;
Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Systemes zur Steuerung
des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erindung ist;
Fig. 3A-3C Diagramme sind, die die Beziehung zwischen den Feuchtig
keitsniveaus von Zufuhrströmen der Brennstoffzelle, dem
Widerstand der Brennstoffzelle bzw. der Spannung der
Brennstoffzelle darstellen; und
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Strom
einer Brennstoffzelle und dem Hochfrequenzwiderstand der
Brennstoffzelle bei verschiedenen Feuchtigkeitsniveaus der
Zufuhrströme darstellt.
Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung eines Querschnittes eines Membran
elektrodenaufbaues (MEA) 12 eines Brennstoffzellenaufbaues 10 mit Pro
tonenaustauschmembran (PEM). Der Membranelektrodenaufbau 12 um
faßt eine Membran 14, eine Kathode 16 und eine Anode 18. Die Membran
14 ist in einer geschichteten Beziehung zwischen der Kathode 16 und der
Anode 18 angeordnet. Ein Kathodendiffusionsmedium 20 ist schichtartig
benachbart zu der Kathode 16 gegenüberliegend der Membran 14 ange
ordnet. Ein Anodendiffusionsmedium 24 ist schichtartig benachbart zu
der Anode 18 gegenüberliegend der Membran 14 angeordnet. Der Brenn
stoffzellenaufbau 10 umfaßt ferner einen Kathodenströmungskanal 26
und einen Anodenströmungskanal 28. Der Kathodenströmungskanal 26
empfängt Sauerstoff oder Luft (O2) und lenkt den Sauerstoff oder die Luft
an das Kathodendiffusionsmedium 20. Der Anodenströmungskanal 28
empfängt Wasserstoff (H2) und lenkt diesen an das Anodendiffusionsme
dium 24.
Bei der elektrochemischen Brennstoffzelle 10 ist die Membran 14 eine ka
tionendurchlässige, protonenleitende Membran, die H+-Ionen als das mo
bile Ion aufweist; das Brennstoffgas ist Wasserstoff (H2); und das Oxidati
onsmittel ist Sauerstoff oder Luft (O2). Die Gesamtzellenreaktion umfaßt
die Oxidation von Wasserstoff in Wasser und die jeweiligen Reaktionen an
der Anode 18 und der Kathode 16 lassen sich wie folgt darstellen:
H2 = 2H+ + 2e
½ O2 + 2H+ + 2e = H2O
Da als das Brennstoffgas Wasserstoff verwendet wird, ist das Produkt der
Gesamtzellenreaktion Wasser. Typischerweise wird das Produkt Wasser an
der Kathode 16 ausgeschieden, die eine poröse Elektrode mit einer Elek
trokatalysatorlage auf der Sauerstoffseite ist. Es können Mittel, nicht ge
zeigt, vorgesehen sein, um das Wasser zu sammeln, wenn es gebildet wird,
und dieses von dem MEA 12 des Brennstoffzellenaufbaues 10 wegzutra
gen.
Die Zellenreaktion erzeugt einen Protonenaustausch in einer Richtung von
dem Anodendiffusionsmedium 24 in Richtung des Kathodendiffusionsme
diums 20. Auf diese Art und Weise erzeugt der Brennstoffzellenaufbau 10
Elektrizität. Eine elektrische Last 30 ist elektrisch über den MEA 12 mit
dem Kathodendiffusionsmedium 20 und dem Anodendiffusionsmedium 24
verbunden, um die Elektrizität aufzunehmen.
Um wirksam zu arbeiten, oder mit anderen Worten, die maximale Menge
an Elektrizität zu erzeugen, muß der Brennstoffzellenaufbau 10 richtig
befeuchtet werden. Typischerweise wird der an den Kathodenströmungs
kanal 26 gelieferte Luftstrom und/oder der an den Anodenströmungska
nal 28 gelieferte Wasserstoffstrom auf eine von mehreren Arten, die in der
Technik bekannt sind, befeuchtet. Bei einem üblichen Verfahren werden
die Anodengase und/oder Kathodengase an eine Membranbefeuchtungs
einrichtung gelenkt, bevor sie in die Brennstoffzelle geführt werden. Die
Befeuchtungseinrichtung kann entweder extern bezüglich der Brennstoff
zelle vorgesehen sein oder sie kann einen Abschnitt in dem Brennstoffzel
lenstapel umfassen. Bei einem anderen Verfahren kann die Brennstoffzelle
auch durch die Verwendung von wassersaugenden Materialien ("Docht
wirkung") befeuchtet werden, wie in den U. S. Patenten Nr. 5,935,725 und
5,952,119 offenbart ist, die Wasser von einem Reservoir zu dem MEA 12
führen. Alternativ dazu kann Dampf oder ein Wassernebel (H2O) in sowohl
den Kathodenstrom als auch den Anodenstrom eingesprüht werden, um
diese Ströme oberstromig oder innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu
befeuchten. Bei einem noch weiteren Verfahren kann ein Sauerstoffstrom
in den Wasserstoffstrom oberstromig des Anodenströmungskanales 28
eingesprüht werden, um eine kleine Menge an H2 zu reagieren und H2O zu
erzeugen, um den Wasserstoffstrom zu befeuchten.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Systemes 40 zur Steuerung
des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das System 40 umfaßt den Brennstoffzellenaufbau 10, einen
DC/DC-Wandler 42, eine Steuerung 44 und eine Befeuchtungseinrich
tung 46.
Der Brennstoffzellenaufbau 10 liefert einen DC-Strom und eine DC-
Spannung, nachstehend als DC-Stapelstrom und DC-Stapelspannung be
zeichnet, an den Eingang des DC/DC-Wandlers 42. Der DC/DC-Wandler
42 wandelt den DC-Stapelstrom und die DC-Stapelspannung in einen DC-
Ausgangsstrom und eine DC-Ausgangsspannung um. Der DC-
Ausgangsstrom und die DC-Ausgangsspannung sind mit einer Last 30
verbunden. Die Elektronik des DC/DC-Wandlers 42 erzeugt eine hochfre
quente AC-Welligkeit an dem DC-Ausgangsstrom und der DC-
Ausgangsspannung. Der DC/DC-Wandler 42 verleiht dem DC-Stapelstrom
und der DC-Stapelspannung auch eine hochfrequente AC-Welligkeit. Die
Stapelstromkomponente mit AC-Welligkeit und die Stapelspannungskom
ponente mit AC-Welligkeit können dazu verwendet werden, den Hochfre
quenzwiderstand des Brennstoffzellenaufbaues 10 zu berechnen. Die Sta
pelstromkomponente mit AC-Welligkeit ist ein alternierendes Signal mit
kleiner Amplitude relativ zu dem DC-Stapelstrom. Die Stapelspannungs
komponente mit AC-Welligkeit ist ein alternierendes Signal mit kleiner
Amplitude relativ zu der DC-Stapelspannung. Die Frequenz der Stapel
stromkomponente mit AC-Welligkeit und der Stapelspannungskompo
nente mit AC-Welligkeit liegt typischerweise in dem Frequenzbereich von
1-20 kHz. Typischerweise ist der DC/DC-Wandler 42 ein Verstärkungs
wandler (Boost-Wandler), um die Spannung von dem Brennstoffzellenauf
bau 10 auf einen für ein Elektrofahrzeug erforderlichen Betriebsbereich zu
erhöhen oder zu verstärken.
Die Befeuchtungseinrichtung 46 befeuchtet den Brennstoffzellenaufbau
10 auf eine der vorher beschriebenen Arten. Die Steuerung 44 bestimmt
das Feuchtigkeitsniveau des Brennstoffzellenaufbaus 10 und steuert die
Befeuchtungseinrichtung 46 in Ansprechen auf das bestimmte oder tat
sächliche Feuchtigkeitsniveau. Mit anderen Worten verwendet die Steue
rung 44 eine Rückkopplung, die durch den DC/DC-Wandler 42 erzeugt
wird, um die Befeuchtung des Brennstoffzellenaufbaues 10 zu steuern.
Bei diesem System 40 variiert der Widerstand des Brennstoffzellenaufbau
es 10 als eine Funktion des Feuchtigkeitsniveaus des Aufbaus 10. Insbe
sondere variiert der Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzellenmem
bran 14 als eine Funktion des Feuchtigkeitsniveaus des Brennstoffzellen
aufbaus 40. Somit wird der Widerstand der Brennstoffzellenmembran 14
bei der vorliegenden Erfindung als ein Maß für das Feuchtigkeitsniveau
des Brennstoffzellenaufbaus 10 verwendet. In einem Fahrzeug, das einen
Stapel oder eine Vielzahl von benachbarten Brennstoffzellen enthält, kann
das System 40 so ausgestaltet sein, daß der gesamte Stapel, jede Brenn
stoffzelle in dem Stapel, vorab gewählte Brennstoffzellen oder eine einzelne
Brennstoffzelle gemessen werden kann.
Um den Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzellenmembran 14 be
rechnen zu können, mißt die Steuerung 44 die Amplitude der Stapel
stromkomponente mit AC-Welligkeit und die Amplitude der Stapelspan
nungskomponente mit AC-Welligkeit und dividiert die gemessene Ampli
tude der Stapelspannungskomponente mit AC-Welligkeit durch die ge
messene Amplitude der Stapelstromkomponente mit AC-Welligkeit. In dem
Falle, wenn die beiden AC-Signale in Phase sind, ist der Hochfrequenzwi
derstand gleich dem Verhältnis von AC-Spannung/AC-Strom. In dem
Falle, wenn die beiden AC-Signale nicht in Phase sind, wird der Phasen
winkel zwischen den beiden AC-Signalen überwacht und der Hochfre
quenzwiderstand der Brennstoffzellenmembran 14 wird durch den Realteil
der Impedanz dargestellt, die durch das Verhältnis von AC-Spannung/AC-
Strom und dem Phasenwinkel der Stapelspannungskomponente mit AC-
Welligkeit relativ zu der Stapelstromkomponente mit AC-Welligkeit defi
niert ist.
Die Steuerung 44 verwendet den berechneten Hochrechnungswiderstand
der Brennstoffzellenmembran 14 zur Verwendung einer Steuerstrategie,
um die Membran 14 ausreichend befeuchtet, aber nicht mit Wasser ge
flutet zu halten. Allgemein ist, wenn der berechnete Hochfrequenzwider
stand der Brennstoffzellenmembran 14 zu hoch oder über einem vorbe
stimmten Nennwert oder -bereich liegt, dann die Membran zu trocken und
die Steuerung 44 ist so programmiert, um der Befeuchtungseinrichtung
zu signalisieren, daß die Menge der Befeuchtung für den Brennstoffzellen
aufbau 10 erhöht werden muß. Wenn der Hochfrequenzwiderstand der
Brennstoffzellenmembran 14 zu niedrig oder unter einem vorbestimmten
Nennwert oder -bereich liegt und die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
unter Norm liegt, dann ist die Membran mit Wasser geflutet und die
Steuerung 44 ist programmiert, um der Befeuchtungseinrichtung zu si
gnalisieren, daß die Menge an Feuchtigkeit für den Brennstoffzellenaufbau
10 verringert werden muß. Der vorbestimmte Nennwert oder -bereich, der
dazu verwendet wird, die optimale Leistungsfähigkeit von einer bestimm
ten Brennstoffzelle zu erhalten, variiert mit Zellkomponenten und Be
feuchtungsstrategien.
Das Fluten bewirkt einen Verlust der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit,
da das überschüssige Wasser die Strömung von Reaktandengas zu dem
MEA blockiert. Eine Brennstoffzellenmembran kann vollständig gesättigt,
aber noch nicht geflutet sein. Untersuchungen haben gezeigt, daß der Wi
derstand einer Membran einen Minimalwert erreicht, wenn die Membran
vollständig gesättigt ist. Überwachungen haben ergeben, daß bei be
stimmten Typen von Brennstoffzellen die optimale Leistungsfähigkeit in
einem vorbestimmten Hochwiderstandsbereich zwischen etwa 0,001 und
0,01 Ohm cm2 über dem minimalen Hochfrequenzwiderstandswert für die
Membran liegt. Innerhalb dieses Bereiches ist die Membran gut befeuchtet
und leitet effizient Protonen, befindet sich aber noch nicht in einem geflu
teten Zustand.
Die Steuerung 44 umfaßt einen Komparator oder einen ähnlichen Vor
richtungstyp, um den berechneten Hochfrequenzwiderstand und den vor
bestimmten Hochfrequenznennwiderstand zu vergleichen und die Diffe
renz oder Abweichung zwischen den beiden Widerstandswerten zu be
stimmen. Die Abweichung zwischen den beiden Widerstandswerten wird
durch die Steuerung 44 verwendet, um die Menge an Wasser einstellen zu
können, die durch die Befeuchtungseinrichtung 46 an den Kathodenströ
mungskanal 26 und den Anodenströmungskanal 28 geliefert wird. Bei ei
ner Ausführungsform wird die Abweichung zwischen den beiden Wider
standswerten durch die Steuerung 44 dazu verwendet, die richtige Größe
der Befeuchtungseinstellung in einer Nachschlagetabelle zu ermitteln. Bei
einer anderen Ausführungsform wird die Abweichung zwischen den bei
den Widerstandswerten dazu verwendet, die richtige Größe der Befeuch
tungseinstellung zu berechnen.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Steuerung des
Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle vor. Die Schritte des Verfahrens
umfassen: Bestimmen des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle; und
Befeuchten der Brennstoffzelle auf ein vorbestimmtes Feuchtigkeitsniveau
oder innerhalb eines vorbestimmten Bereiches in Ansprechen auf das vor
bestimmte Feuchtigkeitsniveau.
Wie vorher beschrieben wurde, ist der Widerstand einer Brennstoffzelle ein
Maß für das Feuchtigkeitsniveau der Brennstoffzelle. Somit umfaßt bei
einem bevorzugten Verfahren der Schritt zur Bestimmung des Feuchtig
keitsniveaus der Brennstoffzelle die Bestimmung des Widerstandes der
Brennstoffzelle.
Die Brennstoffzelle sieht einen DC-Strom und eine DC-Spannung vor. Bei
einer Ausführungsform des Verfahrens umfaßt der Schritt zur Bestim
mung des Widerstandes der Brennstoffzelle die Schritte: Aufbringen einer
Stromkomponente mit AC-Welligkeit auf den DC-Strom und einer Span
nungskomponente mit AC-Welligkeit auf die DC-Spannung durch einen
DC/DC-Wandler; Messen der Amplitude der Stromkomponente mit AC-
Welligkeit und der Amplitude der Spannungskomponente mit AC-
Welligkeit; und Messen des Phasenwinkels der Stromkomponente mit AC-
Welligkeit und des Phasenwinkels der Spannungskomponente mit AC-
Welligkeit. Wenn die beiden AC-Signale in Phase sind, wird der Wider
stand der Brennstoffzelle durch Division der Amplitude der Spannungs
komponente mit AC-Welligkeit durch die Amplitude der Stromkomponente
mit AC-Welligkeit berechnet. Wenn die beiden AC-Signale nicht in Phase
sind, wird der Phasenwinkel der Spannungskomponente mit AC-Welligkeit
relativ zu der Stromkomponente mit AC-Welligkeit bestimmt und der Wi
derstand der Brennstoffzelle durch den Realteil der Impedanz dargestellt,
die durch die Spannungskomponente mit AC-Welligkeit dividiert durch die
Stromkomponente mit AC-Welligkeit und den Phasenwinkel der Span
nungskomponente mit AC-Welligkeit relativ zu der Stromkomponente mit
AC-Welligkeit definiert ist.
Um die Wirksamkeit des Systems und des Verfahrens zu demonstrieren,
wurde die vorliegende Erfindung an einer einzelligen Brennstoffzelle mit
einer aktiven Fläche von 50 cm2 simuliert. Die Brennstoffzelle wurde unter
den folgenden Bedingungen betrieben: 80°C, 150 kPa absolut, 15 Ampere
Konstantstrom, 100% Wasserstoffzufuhr an die Anode bei einer Stöchio
metrie von 2,0, Luftzufuhr an die Kathode mit einer Sauerstoffstöchiome
trie von 2,0. Die Befeuchtung des Wasserstoffeinlaßstromes und des
Lufteinlaßstromes wurden variiert, wie in Fig. 3A gezeigt ist, während der
Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle, wie in Fig. 3B gezeigt ist,
und die Spannung der Brennstoffzelle, wie in Fig. 3C gezeigt ist, über
wacht wurden. Typischerweise ist die Spannung einer Brennstoffzelle ein
Maß des Wirkungsgrades der Zelle.
Fig. 3A ist ein Diagramm des Feuchtigkeitsniveaus des Brennstoffzellen
einlaßstromes in Abhängigkeit einer vorbestimmten Zeitperiode. Fig. 3B
ist ein Diagramm des Hochfrequenzwiderstandes in Abhängigkeit dersel
ben vorbestimmten Zeitperiode. Fig. 3C ist ein Diagramm der Zellenspan
nung in Abhängigkeit derselben vorbestimmten Zeitperiode. Somit zeigen
die Fig. 3A-3C gemeinsam die Beziehung zwischen dem Feuchtigkeitsni
veau einer Brennstoffzelle, dem Hochfrequenzwiderstand der Brennstoff
zelle bzw. dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Die Simulation besteht aus zwei Abschnitten, die nachfolgend als Unter
suchungsabschnitt 1 und Untersuchungsabschnitt 2 bezeichnet sind. In
den Fig. 3A-3C ist Untersuchungsabschnitt 1 allgemein mit 50 bezeich
net und Untersuchungsabschnitt 2 ist allgemein mit 52 bezeichnet. Ge
nauer wurde Untersuchungsabschnitt 1 während einer Zeitperiode von 0
bis 12 Stunden und Untersuchungsabschnitt 2 während einer Zeitperiode
von 12 bis 36 Stunden ausgeführt.
Während des Untersuchungsabschnittes 1 wurde die Kathodenbefeuch
tung, die in Fig. 3 A mit einer gestrichelten Linie dargestellt ist, konstant
bei 50% relativer Feuchte gehalten, und die Anodenbefeuchtung, die in
Fig. 3A mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, wurde von 100%
relativer Feuchte auf 12% relativer Feuchte verringert. In Ansprechen auf
die Verringerung der Anodenbefeuchtung stieg der gemessen Hochfre
quenzwiderstand der Brennstoffzelle von seinem Nennwert bei vollständi
ger Befeuchtung von etwa 0,05 Ohm cm2 auf 0,10 Ohm cm2 und die Zel
lenspannung fiel von etwa 0,77 Volt auf etwa 0,75 Volt infolge von unzu
reichendem Wasser in der Brennstoffzelle.
Während des Untersuchungsabschnittes 2 wurde die Anodenbefeuchtung
angehoben und konstant bei 73% relativer Feuchte gehalten, und die
Kathodenbefeuchtung wurde von 100% relativer Feuchte auf etwa 10%
relativer Feuchte verringert. In Ansprechen auf die Verringerung der Ka
thodenbefeuchtung stieg der gemessene Hochfrequenzwiderstand der
Brennstoffzelle von seinem Nennwert bei vollständiger Befeuchtung von
etwa 0,05 Ohm cm2 auf 0,25 Ohm cm2, und die Zellenspannung fiel von
etwa 0,77 Volt auf etwa 0,72 Volt infolge von unzureichend Wasser in der
Brennstoffzelle.
Die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle kann an dem minimalen
Hochfrequenzwiderstandswert der Brennstoffzelle unter Norm oder nicht
unter Norm liegen. Beispielsweise besaß bei dieser Untersuchung die
Brennstoffzelle einen minimalen Hochfrequenzwiderstandswert von 0,05
Ohm cm2 und es wurde kein Verlust bei der Brennstoffzellenleistungsfä
higkeit oder mit anderen Worten keine Verringerung der Brennstoffzellen
spannung beobachtet, wenn der Hochfrequenzwiderstand auf den mini
malen Widerstandswert abfiel. Wenn jedoch zu den Einlaßströmen mehr
Wasser hinzugefügt worden wäre, während der Hochfrequenzwiderstand
bei dem minimalen Widerstandswert lag, wäre ein gefluteter Zustand ein
getreten, der eine Verringerung der Zellenspannung zur Folge gehabt hät
te. Eine Verringerung der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle infolge
von Fluten ist am besten in Fig. 4 veranschaulicht.
Demgemäß verifiziert diese Simulation, daß der Wirkungsgrad einer
Brennstoffzelle eine Funktion der Befeuchtung der Brennstoffzelle ist, und
daß der Hochfrequenzwiderstand einer Brennstoffzelle ein Maß für das
Feuchtigkeitsniveau der Brennstoffzelle ist.
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Strom einer
Brennstoffzelle, der mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, und
dem Hochfrequenzwiderstand der Brennstoffzelle, der mit einer gestri
chelten Linie dargestellt ist, bei verschiedenen Feuchtigkeitsniveaus zeigt.
Die Daten für Fig. 4 wurden aus einer einzelligen Brennstoffzelle mit einer
aktiven Fläche von 50 cm2 erhalten. Die Brennstoffzelle wurde unter den
folgenden Bedingungen betrieben: 80°C, 150 kPa absolut, 100% H2-
Zufuhr an die Anode bei einer Stöchiometrie von 2,0, Luftzufuhr an die
Kathode mit einer Stöchiometrie von 2,0 Sauerstoff. Die relative Feuchtig
keit der Anode und der Kathode wurde gleich zueinander gehalten, und es
wurden Festzustandsdaten bei sieben verschiedenen Befeuchtungsbedin
gungen erhalten. Die Brennstoffzellenspannung wurde bei 0,6 Volt kon
stant gehalten, während der Strom und der Hochfrequenzwiderstand
überwacht wurden. Fig. 4 zeigt das Ansprechen des Stromes und des
Hochfrequenzwiderstandes auf Änderungen der relativen Feuchtigkeit der
Anoden- und Kathodeneinlaßströme. Bei einer übermäßigen Befeuchtung,
die in Fig. 4 als der geflutete Zustand bezeichnet ist, fiel der Strom infolge
der Anwesenheit von überschüssigem flüssigem Wasser und einer Bloc
kierung der Reaktionsgase ab. Bei einer niedrigen Befeuchtung, die in Fig.
4 als der Trockenzustand bezeichnet ist, fiel der Strom infolge des Trock
nens der Membran ab, wie durch den Anstieg des Hochfrequenzwider
standes während dieses Zustandes gezeigt ist. Fig. 4 zeigt, daß der opti
male Betrieb dieser bestimmten Brennstoffzelle bei einem Hochfrequenz
widerstandsbereich von 0,06-0,07 Ohm cm2 auftritt. Somit sichert eine
Beibehaltung des Hochfrequenzwiderstandes innerhalb dieses Bereiches
eine optimale Brennstoffzellenleistungsfähigkeit.
Demgemäß verifiziert diese Simulation, daß jede bestimmte Brennstoffzelle
einen Hochfrequenzwiderstandsbereich aufweist, in welcher die Brenn
stoffzelle am optimalsten oder effizientesten arbeitet.
Claims (22)
1. System zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle
mit:
einer Brennstoffzelle;
einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung der Brennstoff zelle; und
einer Steuerung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau.
einer Brennstoffzelle;
einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung der Brennstoff zelle; und
einer Steuerung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau.
2. System nach Anspruch 1, wobei der Widerstand der Brennstoffzelle
als eine Funktion des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle vari
iert.
3. System nach Anspruch 2, wobei die Steuerung einen Widerstand der
Brennstoffzelle berechnet.
4. System nach Anspruch 2, wobei die Brennstoffzelle eine Membran
umfaßt und die Steuerung einen Widerstand der Membran berech
net.
5. System nach Anspruch 4, wobei die Brennstoffzelle einen DC-Strom
und eine DC-Spannung liefert und einen DC/DC-Wandler umfaßt,
der eine Stromkomponente mit AC-Welligkeit auf den DC-Strom und
eine Spannungskomponente mit AC-Welligkeit auf die DC-Spannung
aufbringt.
6. System nach Anspruch 5, wobei der Widerstand der Membran durch
Division der Spannungskomponente mit AC-Welligkeit durch die
Stromkomponente mit AC-Welligkeit berechnet wird.
7. System nach Anspruch 5, wobei die Spannungskomponente mit AC-
Welligkeit und die Stromkomponente mit AC-Welligkeit jeweils einen
Phasenwinkel aufweisen und der Widerstand der Membran durch ei
nen Realteil der Impedanz dargestellt ist, die durch die Spannungs
komponente mit AC-Welligkeit dividiert durch die Stromkomponente
mit AC-Welligkeit und den Phasenwinkel der Spannungskomponente
mit AC-Welligkeit relativ zu dem Phasenwinkel der Stromkomponente
mit AC-Welligkeit definiert ist.
8. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Feuchtigkeitsni
veau der Brennstoffzelle auf einem vorbestimmten Niveau beibehält.
9. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Feuchtigkeits
niveau der Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Bereiches
beibehält.
10. System zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoffzelle
mit:
einer Brennstoffzelle zur Lieferung eines DC-Stromes und einer DC-Spannung;
einen DC/DC-Wandler, der eine Stromkomponente mit AC- Welligkeit auf den DC-Strom und eine Spannungskomponente mit AC-Welligkeit auf die DC-Spannung aufbringt;
einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung der Brennstoff zelle und
einer Steuerung zur Messung der Stromkomponente mit AC- Welligkeit und der Spannungskomponente mit AC-Welligkeit, zur Be stimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in Ansprechen auf das be stimmte Feuchtigkeitsniveau.
einer Brennstoffzelle zur Lieferung eines DC-Stromes und einer DC-Spannung;
einen DC/DC-Wandler, der eine Stromkomponente mit AC- Welligkeit auf den DC-Strom und eine Spannungskomponente mit AC-Welligkeit auf die DC-Spannung aufbringt;
einer Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung der Brennstoff zelle und
einer Steuerung zur Messung der Stromkomponente mit AC- Welligkeit und der Spannungskomponente mit AC-Welligkeit, zur Be stimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle und zur Steuerung der Befeuchtungseinrichtung in Ansprechen auf das be stimmte Feuchtigkeitsniveau.
11. System nach Anspruch 10, wobei der Widerstand der Brennstoffzelle
als eine Funktion des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle vari
iert.
12. System nach Anspruch 11, wobei die Steuerung einen Widerstand
der Brennstoffzelle durch Division der Spannung mit AC-Welligkeit
durch den Strom mit AC-Welligkeit berechnet.
13. System nach Anspruch 11, wobei die Spannungskomponente mit AC-
Welligkeit und die Stromkomponente mit AC-Welligkeit jeweils einen
Phasenwinkel aufweisen, und der Widerstand der Brennstoffzelle
durch einen Realteil der Impedanz dargestellt ist, die durch die
Spannungskomponente mit AC-Welligkeit dividiert durch die Strom
komponente mit AC-Welligkeit und den Phasenwinkel der Span
nungskomponente mit AC-Welligkeit relativ zu dem Phasenwinkel der
Stromkomponente mit AC-Welligkeit definiert ist.
14. System nach Anspruch 10, wobei die Steuerung das Feuchtigkeitsni
veau der Brennstoffzelle auf einem vorbestimmten Niveau beibehält.
15. System nach Anspruch 10, wobei die Steuerung das Feuchtigkeitsni
veau der Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Bereiches
beibehält.
16. Verfahren zur Steuerung des Feuchtigkeitsniveaus einer Brennstoff
zelle mit den Schritten:
Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle; und
Befeuchtung der Brennstoffzelle in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau.
Bestimmung des Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle; und
Befeuchtung der Brennstoffzelle in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zur Bestimmung des
Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle die Bestimmung des Feuch
tigkeitsniveaus der Brennstoffzelle als eine Funktion des Widerstan
des der Brennstoffzelle umfaßt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt zur Bestimmung des
Feuchtigkeitsniveaus der Brennstoffzelle als einer Funktion des Wi
derstandes der Brennstoffzelle die Bestimmung des Widerstandes der
Brennstoffzelle umfaßt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Brennstoffzelle einen DC-
Strom und eine DC-Spannung liefert, und der Schritt zur Bestim
mung des Widerstandes der Brennstoffzelle die Schritte umfaßt, daß
eine Stromkomponente mit AC-Welligkeit auf den DC-Strom und eine
Spannungskomponente mit AC-Welligkeit auf die DC-Spannung auf
gebracht wird, die Amplitude der Stromkomponente mit AC-Welligkeit
und die Amplitude der Spannungskomponente mit AC-Welligkeit ge
messen wird und die Amplitude der Spannungskomponente mit AC-
Welligkeit durch die Amplitude der Stromkomponente mit AC-
Welligkeit dividiert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Brennstoffzelle einen DC-
Strom und eine DC-Spannung liefert, und der Schritt zur Bestim
mung des Widerstandes der Brennstoffzelle die Schritte umfaßt, daß
eine Stromkomponente mit AC-Welligkeit auf den DC-Strom und eine
Spannungskomponente mit AC-Welligkeit auf die DC-Spannung auf
gebracht wird, die Amplitude der Stromkomponente mit AC-Welligkeit
und die Amplitude der Spannungskomponente mit AC-Welligkeit ge
messen wird; der Phasenwinkel der Stromkomponente mit AC-
Welligkeit und der Phasenwinkel der Spannungskomponente mit AC-
Welligkeit gemessen wird, die Amplitude der Spannungskomponente
mit AC-Welligkeit durch die Amplitude der Stromkomponente mit AC-
Welligkeit dividiert wird und der Phasenwinkel der Spannungskom
ponente mit AC-Welligkeit relativ zu der Stromkomponente mit AC-
Welligkeit bestimmt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zur Befeuchtung der
Brennstoffzelle in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau
die Befeuchtung der Brennstoffzelle auf ein vorbestimmtes Niveau in
Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeitsniveau umfaßt.
22. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt zur Befeuchtung der
Brennstoffzelle in Ansprechen auf das vorbestimmte Feuchtigkeitsni
veau eine Befeuchtung der Brennstoffzelle innerhalb eines vorbe
stimmten Bereiches in Ansprechen auf das bestimmte Feuchtigkeits
niveau umfaßt.
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