DE102005023131B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Fluidströmungspulsation für erhöhte Stabilität in PEM-Brennstoffzellen - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Fluidströmungspulsation für erhöhte Stabilität in PEM-Brennstoffzellen Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10) mit:
einem Brennstoffzellenstapel (12);
einer Durchflusssteuervorrichtung (18, 20), die eine Lieferung eines in einer ersten Phase befindlichen Fluids, das durch den Brennstoffzellenstapel (12) strömt, steuert;
einem Controller (22), der zumindest einen Parameter des Brennstoffzellenstapels (12) überwacht und die Lieferung steuert, um Impulse des Fluides zu erzeugen, wenn der zumindest eine Parameter eine Schwelle überquert, um ein in einer zweiten Phase befindliches Fluid von dem Brennstoffzellenstapel (12) zu spülen; und
einem Temperaturerfassungssystem, das eine Fluidtemperaturänderung über den Brennstoffzellenstapel (12) erfasst und ein Signal an den Controller (22) auf Grundlage des Parameters, der die Temperaturänderung darstellt, liefert.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere eine Regulierung von Reaktanden- und Kühlmittelströmungen, um die Stabilität einer Brennstoffzelle zu erhöhen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion und sind bei vielen Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden. Brennstoffzellen können erhebliche Vorteile gegenüber andere Quellen für elektrische Energie bieten, wie beispielsweise verbesserte Effizienz, Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Kosten wie auch Umweltvorteile. Brennstoffzellen können schließlich in Personenkraftwägen wie auch Lastkraftwägen verwendet werden. Brennstoffzellen können auch für private wie auch geschäftliche Anwendungen verwendet werden.
  • Es existieren mehrere verschiedene Typen von Brennstoffzellen, von denen jeder Vorteile besitzt, die diesen für gegebene Anmeldungen besonders geeignet machen. Ein Typ ist eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die eine zwischen eine Anode und eine Kathode geschichtete Membran besitzt. Die Membran und die jeweiligen Elektroden gemeinsam in einer Anordnung werden als eine Membranelektrodenan ordnung (MEA) bezeichnet. Um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen, wird Wasserstoff (H2) oder wasserstoffhaltiges Gas an die anodenseitige Halbzelle über ein Anodenströmungsfeld geliefert, und Luft oder Sauerstoff (O2) wird an die kathodenseitige Halbzelle über ein Kathodenströmungsfeld geliefert.
  • Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt die Aufspaltung des Wasserstoffs (H2) an der Anode Wasserstoffprotonen (H+) und Elektronen (e–). Da die Membran protonenleitend ist, werden die Protonen durch die Membran hindurch transportiert. Die Elektronen fließen durch eine elektrische Last, die über die Elektroden geschaltet ist. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O2) an der Kathode mit Protonen (H+), und Elektronen (e–) werden aufgenommen, um Wasser (H2O) zu bilden. Durch die Reaktionen wird parasitäre Wärme erzeugt, die reguliert werden muss, um einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels vorzusehen.
  • Brennstoffzellenstapel umfassen Reaktandenströmungsfelder und Kühlmittelströmungsfelder. Die Reaktandenströmungsfelder verteilen Anoden- und Kathodenreaktandenfluide über die einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels. Die Kühlmittelströmungsfelder verteilen ein Wärmeübertragungsfluid (Kühlmittelfluid), um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels zu regulieren. In dem Fall der Reaktandenströmungsfelder werden die Anoden- und Kathodenreaktandenfluide als in der Gasphase befindliche Fluide verteilt. In dem Fall von Kühlmittelströmungsfeldern wird das Wärmeübertragungsfluid als ein in flüssiger Phase befindliches Fluid verteilt.
  • Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann sich in den Reaktandenströmungsfeldern ein in flüssiger Phase befindliches Fluid bilden. Das in flüssiger Phase befindliche Fluid beeinträchtigt die Strömung bzw. den Durchfluss der in Gasphase befindlichen Reaktandenfluide, was einen instabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels zur Folge haben kann. Eine derartige Situation tritt üblicherweise auf, wenn der Brennstoffzellenstapel konsistent auf einem niedrigen Lastniveau betrieben wird. Herkömmlich werden die Stabilitätsprobleme durch Anlegen einer höheren Anoden- und/oder Kathodenstöchiometrie abgemildert, um einen instabilen Betrieb zu vermeiden. Dies weist jedoch einen erheblichen Nachteil auf, da ein höherer Prozentsatz des Reaktanden verschwendet wird. Infolgedessen ist der Systemwirkungsgrad verringert.
  • In der Gas- und/oder Dampfphase befindliche Fluide können sich auch in den Kühlmittelströmungsfeldern bilden. Das in der Gasphase befindliche Fluid beeinträchtigt eine Strömung des in flüssiger Phase befindlichen Wärmeübertragungsfluids, was in lokalen Temperaturerhöhungen oder heißen Stellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels resultieren kann. Diese heißen Stellen verringern die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels und können einen lokalen Schaden an dem Brennstoffzellenstapel bewirken. Die Anwesenheit derartiger heißer Stellen in dem Stapel oder in einer bestimmten Zelle kann durch eine gewisse Erhöhung der Temperatur und/oder des Zellenwiderstandes festgestellt werden, was zu einer gewissen Verringerung der Zellenspannung führt.
  • In der JP 2000/348745 A ist eine Anordnung offenbart, mittels der einer Verstopfung der Zufuhrleitung einer Brennstoffzelle durch Verunreinigungen entgegengewirkt wird. Zu diesem Zweck wird beim Detektieren einer Verstopfung die Strömungsrichtung des Reaktandengases durch Betätigen geeigneter Ventile umgekehrt, um die Verunreinigungen aus der Leitung zu spülen.
  • Die EP 1 447 870 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, bei welchem die Reaktandengasströme in Oszillationen versetzt werden, um dadurch unerwünschte Konzentrationsgradienten zu verringern.
  • Die US 6,159,629 A beschreibt eine Krümmeranordnung für Brennstoffzellenstapel, mittels der die Strömungsrichtung der Reaktandengase oder des Kühlmittels in den Brennstoffzellenstapeln periodisch umgekehrt werden kann.
  • Es ist wünschenswert, den Betrieb von Brennstoffzellen und insbesondere die Zufuhr der erforderlichen Betriebsfluide weiter zu verbessern.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Durchflusssteuervorrichtung vor, die eine Lieferung eines durch den Brennstoffzellenstapel strömenden, in einer ersten Phase befindlichen Fluids steuert. Ein Controller überwacht zumindest einen Parameter des Brennstoffzellenstapels und steuert die Lieferung, um Impulse in dem Reaktanden zu erzeugen, wenn der zumindest eine Parameter einen Schwellenwert überschreitet, um ein in einer zweiten Phase befindliches Fluid von dem Brennstoffzellenstapel zu spülen. Ein Temperaturerfassungssystem erfasst eine Fluidtemperaturände rung über den Brennstoffzellenstapel und liefert ein Signal an den Controller auf Grundlage des Parameters, der die Temperaturänderung darstellt.
  • Bei einer Ausführungsform sind die Impulse durch zumindest ein Impulsmerkmal definiert, das aus Impulsdauer, Intervall zwischen Impulsen und Impulsform, gewählt ist, wie durch den Controller bestimmt ist. Das zumindest eine Impulsmerkmal basiert auf einem Ausmaß, um das der zumindest eine Parameter von dem Schwellenwert abweicht.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner zumindest einen Spannungssensor, der eine Spannung einer jeweiligen einzelnen Zelle des Brennstoffzellenstapels erfasst und ein Signal an den Controller liefert. Der Parameter umfasst eine Zellenspannung, und die Schwelle ist eine minimale Zellenspannungsschwelle. Alternativ dazu umfasst die Schwelle eine durchschnittliche Spannungsschwankung, die durch eine Größe und/oder eine Frequenz der Schwankungen der einzelnen Zellenspannung definiert ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Spannungssensor, der eine Stapelspannung überwacht und ein Signal auf Grundlage des Parameters, der die Stapelspannung darstellt, an den Controller liefert. Die Schwelle umfasst eine minimale Stapelspannung. Alternativ dazu umfasst die Schwelle eine durchschnittliche Spannungsschwankung, die durch eine Größe und/oder eine Frequenz von Schwankungen der Stapelspannung definiert ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner ein Druckerfassungssystem, das einen Fluiddruckabfall über den Brennstoffzellenstapel erfasst und ein Signal an den Controller auf Grundlage des Parameters, der den Druckabfall darstellt, liefert. Die Schwelle umfasst einen maximalen Druckabfall. Alternativ dazu umfasst die Schwelle eine durchschnittliche Druckabfallschwankung, die durch eine Größe und/oder eine Frequenz von Schwankungen des Stapeldruckabfalls definiert ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Parameter ein Widerstand zumindest einer Brennstoffzelle.
  • Bei einer anderen Ausführungsform erfasst das Temperaturerfassungssystem einen Anstieg der Fluidtemperatur über den Brennstoffzellenstapel und liefert ein Signal an den Controller auf Grundlage des Parameters, der den Temperaturanstieg darstellt. Die Schwelle umfasst einen maximalen Temperaturanstieg. Alternativ dazu umfasst die Schwelle eine durchschnittliche Schwankung des Temperaturanstiegs, die durch eine Größe und/oder Frequenz von Schwankungen des Stapeltemperaturanstiegs definiert ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Parameter eine Stapellast, und der Schwellenwert ist eine minimale Stapellast.
  • Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist die Durchflusssteuervorrichtung zumindest ein Durchflussregler.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 ein Schaubild ist, das eine beispielhaft Impulswelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ein Schaubild ist, das eine alternative beispielhafte Impulswelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ein Schaubild ist, das eine Strategie zum Pulsieren der Strömung zeigt;
  • 5 ein Schaubild ist, das eine alternative Strategie zum Pulsieren der Strömung zeigt; und
  • 6 ein Schaubild ist, das die Reaktanden- und/oder Kühlmitteldurchflusssteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • In 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der Reaktanden verarbeitet, um Elektrizität zu erzeugen. Genauer umfasst der Brennstoffzellenstapel 12 eine Anodenseite, durch die ein Anodenreaktand strömt, und eine Kathodenseite, durch die ein Kathodenreaktand strömt. Der Anodenreaktand wird durch eine Anodenreaktandenquelle 14 geliefert und umfasst allgemein Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Reformat. Der Kathodenreaktand wird allgemein als sauerstoffreiche Luft vorgesehen, die durch einen Kompressor 16 geliefert wird. Eine Anodendurchflusssteuervorrichtung (DSV) 18, wie beispielsweise ein Regler, reguliert den Anodenreaktandendurchfluss zu dem Brennstoffzellenstapel 12. Eine Kathodendurchflusssteuervorrichtung 20, wie beispielsweise ein Regler, reguliert einen Kathodenreaktandendurchfluss zu dem Brennstoffzellen stapel 12. Die Anoden- und Kathodenreaktandenfluide strömen durch den Brennstoffzellenstapel 12 in Gasphasenform.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner ein Kühlmittelsystem 19, das ein Wärmeübertragungsfluid durch den Brennstoffzellenstapel 12 umwälzt. Obwohl es nicht gezeigt ist, umfasst das Kühlmittelsystem 19 allgemein eine Pumpe, ein Reservoir und einen Wärmetauscher. Das Wärmeübertragungsfluid strömt durch den Brennstoffzellenstapel 12 in Form einer flüssigen Phase, um die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 zu regulieren. Das Wärmeübertragungsfluid kann dazu verwendet werden, den Brennstoffzellenstapel 12 zu kühlen oder den Brennstoffzellenstapel 12 zu heizen, wie es die Umgebungsbetriebsbedingungen fordern. Der Kühlmitteldurchfluss wird durch Regulierung der Drehzahl (U/min) der Pumpe gesteuert.
  • Ein Controller 22 regelt den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 und des Kühlmittelsystems 19. Der Controller 22 steht in Verbindung mit den Durchflusssteuervorrichtungen 18, 20 der Anode und Kathode, dem Kompressor 16 und dem Kühlmittelsystem 19. Genauer erzeugt der Controller 22 Steuersignale, um einen Betrieb der Komponenten des Brennstoffzellensystems auf Grundlage eines gewünschten Lasteingangs zu regulieren. Der gewünschte Lasteingang gibt einen gewünschten Leistungsausgang für das Brennstoffzellensystem an. Beispielsweise wird in dem Fall eines Fahrzeugs der gewünschte Lasteingang durch ein Gaspedal bzw. eine Drosselklappe erzeugt.
  • Ein Zellensensorsystem 24 überwacht Zellenspannungen einzelner Brennstoffzellen oder Gruppen einzelner Brennstoffzellen in dem Brennstoffzel lenstapel 12. Das Zellensensorsystem 24 erzeugt Zellenspannungssignale, die von dem Controller 22 empfangen werden. Das Zellensensorsystem 24 kann mehrere Zellenspannungssensoren (nicht gezeigt) oder einen einzelnen Spannungssensor (nicht gezeigt) umfassen, der elektrisch geschaltet ist, um die Spannung einzelner Zellen zu messen. Ein Spannungssensor 26 überwacht die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 12. Der Spannungssensor 26 erzeugt ein Stapelspannungssignal, das von dem Controller 22 empfangen wird. Einlass- und Auslassdrucksensoren 28 bzw. 30 sind an der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen. Ähnliche Drucksensoren 50, 52 sind an dem jeweiligen Einlass und Auslass der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen. Der Einlassdrucksensor 28 erzeugt ein Einlassdrucksignal, und der Auslassdrucksensor 30 erzeugt ein Auslassdrucksignal. Die Einlass- und Auslassdrucksignale werden von dem Controller 22 empfangen. Alle anderen Drucksensoren wie auch die Temperatursensoren arbeiten auf eine ähnliche Art und Weise, und ihre Ausgabesignale können von dem Controller 22 empfangen werden. Der Widerstand einzelner Zellen, Gruppen einzelner Zellen und/oder der Gesamtwiderstand des Brennstoffzellenstapels kann durch Verwendung einer Technik zum Messen des Hochfrequenzwiderstandes (HFW) gemessen werden. Die HFW-Messtechnik für einzelne Brennstoffzellen ist detailliert in dem gemeinsam übertragenen U.S. Patent Nr. 6,376,111 beschrieben, das am 23. April 2002 erteilt wurde und dessen Offenbarung hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die HFW-Messtechnik für Gruppen von Brennstoffzellen ist detailliert in dem gemeinsam übertragenen U.S. Patent Nr. 6,406,806 beschrieben, das am 18. Juni 2002 erteilt wurde und dessen Offenbarung hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Der Druckunterschied zwischen den Anoden- und Kathodenseiten der MEA wird überwacht und so gesteuert, dass er einen Wert, der für die Membran, die MEA wie auch die Stapelanordnung, die die Membran umfasst, geeignet ist, nicht überschreitet.
  • Die Einlasstemperatur- und Drucksensoren 32 bzw. 34 sind an dem Wärmeübertragungsfluideinlass zu dem Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen. Der Einlasstemperatursensor 32 erzeugt ein Einlasstemperatur-(TEIN)-Signal, und der Einlassdrucksensor 34 erzeugt ein Einlassdruck-(PEIN)-Signal. Aulasstemperatur- und Drucksensoren 36 bzw. 38 sind an dem Wärmeübertragungsfluidauslass des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen. Der Auslasstemperatursensor 36 erzeugt ein Auslasstemperatur-(TAUS)-Signal, und der Auslassdrucksensor 38 erzeugt ein Auslassdruck-(PAUS)-Signal.
  • Die Brennstoffzellensteuerung der vorliegenden Erfindung reguliert einen Reaktandendurchfluss durch den Brennstoffzellenstapel 12 auf der Grundlage eines überwachten Betriebsparameters. Genauer erzeugt die Brennstoffzellensteuerung Reaktandenströmungsimpulse, um die Reaktandenstramungskanäle des Brennstoffzellenstapels 12 von möglichen Hindernissen einschließlich in flüssiger Phase befindlichen Fluiden zu spülen. Beispielsweise sammelt sich bei bestimmten Betriebsbedingungen ein Niederschlag in den Reaktandenströmungskanälen an. Diese Ansammlung kann zu der Bildung von Niederschlagsklumpen bzw. -pfropfen führen, die durch die Reaktandenströmungskanäle fließen. Dies resultiert in einem ineffizienten Brennstoffzellenbetrieb und möglicherweise einem Schaden an dem Brennstoffzellenstapel 12. Der Begriff ”Niederschlag”, der hier verwendet ist, bezeichnet eine Ansammlung einer Substanz, wie beispielsweise kondensiertes Wasser, die Klumpen bzw. Pfropfen bilden, die die Reaktandenströmung bzw. den Reaktandendurchfluss beeinträchtigen. Aus der Ansammlung von Niederschlag in den Reaktandenströmungskanälen resultiert ein instabiler Stapelbetrieb. Insbesondere bildet sich ein dünner Niederschlagsfilm an den Wanden der Reaktandenströmungskanäle. Die Niederschlagspfropfen unterbrechen einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellenstapels.
  • Die Betriebsparameter umfassen beispielsweise eine Last auf den Brennstoffzellenstapel 12, eine einzelne Zellenspannung, einen einzelnen Zellenwiderstand, einen Druckabfall über eine Reaktandenseite, eine Stapelspannungsschwankung wie auch eine Druckabfallschwankung über eine Reaktandenseite, eine Druck- und Temperaturänderung und -schwankung über die Kühlmittelseite des Brennstoffzellenstapels. Wenn der jeweilige Betriebsparameter eine entsprechende Schwelle überschreitet, erzeugt die Brennstoffzellensteuerung Reaktanden- oder Kühlmittelströmungsimpulse. Obwohl die Reaktandenströmungsimpulse in jeder Reaktandenseite erzeugt werden können, ist die Kathodenseite anfälliger für eine Niederschlagsansammlung. Die Erzeugung der Reaktandenströmungsimpulse wird gesteuert, um große Druckunterschiede über die Polymerelektrolytmembran (PEM) (d. h. zwischen den Anoden- und Kathodenseiten) zu hemmen. Es sei angemerkt, dass der Controller 22 die oben beschriebenen Betriebsparameter entweder allein oder in Kombination überwacht. Dies bedeutet, der Controller 22 kann einen einzelnen Betriebsparameter, mehrere Betriebsparameter oder alle Betriebsparameter überwachen, um ein Pulsieren der Reaktanden- und Kühlmittelströmung auszulösen.
  • Ein Druckunterschied zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite wird überwacht. Genauer wird das Pulsieren der Reaktandenströmung geregelt, um den Druckunterschied unterhalb eines Schwellenwerts zu halten. Der Schwellenwert wird auf Grundlage der jeweiligen Konstruktion des Brennstoffzellenstapels bestimmt. Beispielsweise kann die Schwelle für einen robusteren Brennstoffzellenstapel höher sein als für einen weniger robusten Brennstoffzellenstapel. Wenn der Druckunterschied zu groß ist, kann ein Schaden an den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 auftreten. Daher kann, wenn der Druckunterschied den Schwellenwert überschreitet, das Pulsieren der Reaktandenströmung beendet oder beschränkt werden, um den Druckunterschied unter die Schwelle zu reduzieren.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, werden die Reaktandenströmungsimpulse so erzeugt, dass sie eine bestimmte Wellenform besitzen, und zwar auf Grundlage der Bedingungen, die zu einem Pulsieren der Reaktandenströmung führen. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst eine beispielhafte Wellenform eine Stufenwelle mit einer Amplitude (ASTUFE) und einer Frequenz (fSTUFE). Wie in 3 gezeigt ist, umfasst eine alternative beispielhafte Wellenform eine Sinuswelle mit einer Amplitude (ASINUS) und einer Frequenz (fSINUS). Es sei angemerkt, dass die hier gezeigten Wellenformen beispielhaft sind und andere Wellenformen, wie beispielsweise eine Sägezahnwellenform oder Rampen-Wellenform mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Die Dauer der Reaktandenimpulse kann variieren. Beispielsweise wird vorgeschlagen, dass die Dauer eine voreingestellte Periode ist. Bei Ablauf der Periode endet das Pulsieren der Reaktandenströmung. Es wird ebenfalls vorgeschlagen, dass das Pulsieren der Reaktandenströmung andauert, bis der Zustand, den das Pulsieren der Reaktandenströmung hervorgerufen hat, verbessert oder vollständig aufgelöst ist.
  • In den 4 und 5 ist gezeigt, dass sich ein Impuls von einer typischen kontinuierlichen Nenndurchflussrate bzw. -strömungsgeschwindigkeit unterscheidet, die herkömmlich dazu verwendet wird, Reaktanden ohne schnelle Modulation zu liefern. Die Impulse der vorliegenden Erfindung können unter einer Vielzahl von Bedingungen auftreten, wie beispielsweise: Beendigung einer Nenndurchflussrate und Einleiten einer gepulsten Strömung bei einem Druck und/oder einer Durchflussrate, die größer oder kleiner als diejenige der Nennrate ist (siehe 4), fortgesetzte Ausbreitung der Nennrate mit intermittierend zugesetztem Reaktanden, um einen Druck und/oder Strömungsimpuls (siehe 5) zu bewirken, und andere Variationen, die im Einklang mit der vorliegenden Erfindung stehen. Obwohl die Nenndurchflussrate selbst als ein Impuls mit einer erweiterten Dauer und mit einem relativ konstanten Wert angesehen werden kann, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung davon und ist auf eine schnellere Modulation der Strömung über Impulse und die hier beschriebenen Impulsmerkmale gerichtet. Derartige Impulsmerkmale sind gewählt aus: Impulsdauer, Intervall zwischen Impulsen (d. h. Frequenz) und Impulsform. Bevorzugt findet das Pulsieren der Strömung statt, während zumindest eines der Impulsmerkmale variiert wird. Die Erfindung betrifft auch das Fortsetzen einer Nenndurchflussrate, während ein Impuls auf eine derartige Strömung aufgebracht wird (beispielsweise mittels eines intermittierenden Betriebs eines Injektors).
  • Mit besonderem Bezug auf die Brennstoffzellenstapellast ist die Bildung von Niederschlag in den Strömungsfeldkanälen während Perioden mit niedriger Last wahrscheinlicher. Bei niedriger Last strömen wenig Kathoden- und Anodenreaktanden durch den Brennstoffzellenstapel 12. Aufgrund dessen ist es weniger wahrscheinlich, dass Niederschlag in dem Brennstoffzellenstapel 12 durch die Reaktandenströmung weggespült wird. Daher bewirkt die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung, um einen potentiellen Niederschlag beim Betrieb mit niedriger Last wegzuspülen. Bei einem Beispiel überwacht der Controller 22 die Last des Brennstoffzellenstapels 12. Wenn die Last unter eine Lastschwelle fällt, leitet die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung ein. Das Pulsieren der Reaktandenströmung dauert an, bis sich die Last oberhalb der Lastschwelle befindet. Bei einem anderen Beispiel ist das Pulsieren der Reaktandenströmung invers proportional zu einer Last (d. h. die Intensität des Pulsierens der Reaktandenströmung verringert sich, wenn die Last zunimmt, und erhöht sich, wenn die Last abnimmt). Bei diesem Beispiel ist es jedoch bevorzugt, dass bei höheren Lastniveaus kein Pulsieren der Reaktandenströmung auftritt.
  • In dem Fall einer minimalen Zellenspannung werden die Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 überwacht, und diese Spannungen werden mit einer Zellenspannungsschwelle verglichen. Wenn die geringste der Zellenspannungen unter eine Zellenspannungsschwelle abfällt, leitet die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung ein. Bei einem Beispiel ist die Zellenspannungsschwelle eine voreingestellte minimale Zellenspannung. Bei einem anderen Beispiel ist die Zellenspannungsschwelle die Differenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und einer voreingestellten Toleranz (beispielsweise 200 mV). Wenn beispielsweise die durchschnittliche Zellenspannung 800 mV ist und die derzeitige Toleranz 200 mV ist, bewirkt die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung, wenn die niedrigste der Zellenspannungen unter 600 mV abfällt.
  • Bezug nehmend auf den individuellen Zellenwiderstand werden die Widerstände der einzelnen Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 überwacht, und diese Widerstände werden mit einer Zellenwiderstandsschwelle verglichen. Wenn der niedrigste Zellenwiderstand unter eine Zellenwiderstandsschwelle fällt, leitet die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung ein. Bei einem Beispiel ist die Zellenwiderstandsschwelle eine voreingestellte minimale Zellenspannung. Bei einem anderen Beispiel ist die Zellenwiderstandsschwelle die Differenz zwischen dem durchschnittlichen Zellenwiderstand und einer voreingestellten Toleranz (beispielsweise 0,04 Ohm·cm2). Wenn beispielsweise der durchschnittliche Zellenwiderstand 0,11 Ohm·cm2 und die derzeitige Toleranz 0,04 Ohm·cm2 beträgt, führt die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung aus, wenn der geringste Zellenwiderstand unter 0,07 Ohm·cm2 fällt oder 0,150 Ohm·cm2 überschreitet.
  • In dem Falle des Druckabfalls über eine Reaktandenseite löst die Brennstoffzellensteuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung aus, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass der jeweiligen Reaktandenseite (beispielsweise Kathodenseite) eine Druckabfallschwelle überschreitet (beispielsweise 25 kPa). Beispielsweise wird in dem Fall der Kathodenseite der Druck an dem Einlass der Kathodenseite durch den Einlassdrucksensor 28 erfasst, und der Druck an dem Auslass der Kathodenseite wird durch den Auslassdrucksensor 30 erfasst. Der Controller 22 berechnet den Druckabfall als die Differenz zwischen den Drucksensorsignalen und vergleicht den Druckabfall mit der voreingestellten Schwelle.
  • Der Betriebsparameter des Druckabfalls der Reaktandenseite ist eine durchschnittliche Charakteristik des Brennstoffzellenstapels. Daher ist eine Überwachung der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 nicht erforderlich.
  • In Bezug auf die durchschnittliche Stapelspannungsschwankung überwacht die Brennstoffzellensteuerung die Spannung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des Spannungssensors. Die Spannung des Brennstoffzellenstapels ist die Gesamtspannung aller Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12. Insbesondere werden die Größe wie auch die Frequenz der Stapelspannungsspannungen überwacht. Wenn die durchschnittliche Größe und/oder durchschnittliche Frequenz der Spannungsschwankungen des Brennstoffzellenstapels jeweilige Schwellen überschreiten, wird ein Pulsieren der Reaktandenströmung ausgelöst. Der Betriebsparameter der Spannungsschwankung des Brennstoffzellenstapels ist eine durchschnittliche Charakteristik des Brennstoffzellenstapels. Daher ist eine Überwachung der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 nicht erforderlich.
  • Bezug nehmend auf die Schwankung des Druckabfalls auf der Reaktandenseite überwacht die Brennstoffzellensteuerung die Druckabfallschwankungen unter Verwendung der Einlass- und Auslassdrucksensoren 28, 30. Insbesondere werden die Größe und die Frequenz der Druckabfallschwankungen überwacht. Wenn die durchschnittliche Größe und/oder durchschnittliche Frequenz der Druckabfallschwankungen jeweilige Schwellen überschreitet, wird ein Pulsieren der Reaktandenströmung ausgelöst. Der Betriebsparameter der Schwankung des Druckabfalls ist eine durchschnittliche Charakteristik des Brennstoffzellenstapels. Daher ist eine Überwachung der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 nicht erforderlich.
  • Anhand von 6 wird die Brennstoffzellensteuerung der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. In Schritt 100 misst die Steuerung einen bestimmten Betriebsparameter. Der Betriebsparameter kann beispielsweise die Last auf den Brennstoffzellenstapel 12, eine einzelne Zellenspannung, ein einzelner Zellenwiderstand, ein Druckabfall über eine Reaktandenseite, eine durchschnittliche Stapelspannungsschwankung wie auch eine Druckabfallschwankung über eine Reaktandenseite sein. Die Steuerung bestimmt bei Schritt 102, ob der Betriebsparameter seine entsprechende Schwelle überschritten hat. Wenn der Betriebsparameter seine entsprechende Schwelle überschritten hat, führt die Steuerung mit Schritt 103 fort. Wenn der Betriebsparameter seine entsprechende Schwelle nicht überschritten hat, führt die Steuerung mit Schritt 106 fort.
  • Die Steuerung leitet bei Schritt 103 einen Zeitgeber ein. Bei Schritt 104 führt die Steuerung ein Pulsieren der Reaktandenströmung aus. Die Steuerung bestimmt bei Schritt 108, ob der Betriebsparameter in seinen normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist (d. h. seine entsprechende Schwelle zurück überquert hat). Wenn der Betriebsparameter in seinen normalen Betriebsbereich zurückgelangt ist, führt die Steuerung bei Schritt 106 eine normale Durchfluss- bzw. Strömungssteuerung aus und die Steuerung endet. Wenn der Betriebsparameter nicht in seinen normalen Betriebsbereich zurückgekehrt ist, führt die Steuerung mit Schritt 110 fort.
  • Bei Schritt 110 bestimmt die Steuerung, ob der Zeitgeber eine Zeitgeberschwelle erreicht hat. Wenn der Zeitgeber die Zeitgeberschwelle nicht erreicht hat, erhöht die Steuerung den Zeitgeber bei Schritt 112 und kehrt zurück zu Schritt 104. Wenn der Zeitgeber die Zeitgeberschwelle erreicht hat, leitet die Steuerung bei Schritt 114 einen Alarm ein, und die Steuerung endet. Der Alarm informiert einen Bediener, dass das Brennstoffzellensystem 10 auf einem unerwünschten Niveau arbeitet, und kann einen visuellen Alarm und/oder einen hörbaren Alarm umfassen. Der Alarm kann auch Information hinsichtlich des überwachten Betriebsparameters umfassen. Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Alarm eine Aktion zum Abschalten des Brennstoffzellensystems umfassen kann, um einen Schaden an dem Brennstoffzellenstapel 12 zu verhindern. Auf diese Art und Weise versucht die Brennstoffzellensteuerung, einen unerwünschten Betriebszustand unter Verwendung eines Pulsierens der Reaktandenströmung zu korrigieren. Wenn sich der Zustand nicht verbessert, nachdem die Schwellenzeitperiode abgelaufen ist, alarmiert die Brennstoffzellensteuerung einen Bediener und/oder beendet einen Betrieb des Brennstoffzellensystems, um einen Schaden an dem Brennstoffzellenstapel 12 zu verhindern.
  • Es wird ebenfalls vorgeschlagen, dass eine zusätzliche Zeitgeberschleife implementiert sein kann, um den Betriebsparameter nach Rückkehr in den Normalbereich über eine Schwellenperiode zu überwachen. Auf diese Art und Weise stellt die Brennstoffzellensteuerung sicher, dass der Betriebsparameter vor einer Beendigung des Pulsierens der Reaktandenströmung innerhalb des normalen Bereichs bleibt.
  • Obwohl die vorhergehende Beschreibung die Verwendung des Pulsierens der Strömung für die Reaktandenströmungsfelder beschreibt, sei angemerkt, dass das Pulsieren der Strömung auch für die Kühlmittelströmungsfelder verwendet werden kann. Insbesondere kann sich ein in der Gasphase befindliches Fluid (beispielsweise Wasserdampfblasen) in dem Kühlmittelströmungsfeld bilden und die Strömung des in flüssiger Phase befindlichen Wärmeübertragungsfluids behindern. Das Pulsieren der Kühlmittelströmung verdrängt und spült das in der Gasphase befindliche Fluid von dem Kühlmittelströmungsfeld, um eine lokale Erhitzung über den Brennstoffzellenstapel zu verhindern.
  • Das Pulsieren des Durchflusses bzw. der Strömung des Wärmeübertragungsfluids wird auf Grundlage einer Temperaturdifferenz (ΔT) und/oder einer Druckdifferenz (ΔP) des Wärmeübertragungsfluides über den Brennstoffzellenstapel 12 geregelt. ΔT wird als die Differenz zwischen TEIN und TAUS bestimmt, und ΔP wird als die Differenz zwischen PEIN und PAUS bestimmt. ΔT wird mit einer Schwellentemperaturdifferenz verglichen. Wenn ΔT größer als die Schwellentemperaturdifferenz ist, wird die Strömung des Wärmeübertragungsfluids gepulst, wie ähnlicherweise oben für die Reaktandenfluide beschrieben ist. ΔP wird mit einer Schwellendruckdifferenz verglichen. Wenn ΔP größer als die Schwellendruckdifferenz ist, wird die Strömung des Wärmeübertragungsfluids gepulst. Die Impulsströmungskonzepte der vorliegenden Erfindung wurden im Vergleich zu einer herkömmlichen Vergleichsstapelströmung bei niedriger Last geprüft. Bei einem herkömmlichen Stapellauf bei niedriger Last wird die Kathodenstöchiometrie von 1,6 auf etwa 1,8 erhöht, wodurch die Kompressorleistung um etwa 12% erhöht wird, um einen stabilen Betrieb zu erreichen. Im Gegensatz dazu resultiert der Betrieb bei niedriger Last und ein Pulsieren mit einer Erhöhung des Durchflusses um etwa 50% für bis zu etwa einer Minute in Intervallen bis zu etwa 10 Minuten in einem stabilen Betrieb, während die Kompressorleistung lediglich um 2 bis 3% erhöht war. Ferner war der Spannungsabfall in dem Vergleichsfall beträchtlich und war in 1 bis 2 Stunden von 0,8 V auf 0,3 V oder weniger abgesunken. In dem gepulsten Fall wurde der Spannungsabfall für 10 Stunden und länger bei etwa 0,8 V beibehalten. Dieselben Ergebnisse gelten für das Pulsieren des Kühlmittels, wobei ein periodisches Pulsieren Gasblasen und heiße Stellen praktisch beseitigt, während die Pumpenleistung lediglich um etwa 6% erhöht wird.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims (25)

  1. Brennstoffzellensystem (10) mit: einem Brennstoffzellenstapel (12); einer Durchflusssteuervorrichtung (18, 20), die eine Lieferung eines in einer ersten Phase befindlichen Fluids, das durch den Brennstoffzellenstapel (12) strömt, steuert; einem Controller (22), der zumindest einen Parameter des Brennstoffzellenstapels (12) überwacht und die Lieferung steuert, um Impulse des Fluides zu erzeugen, wenn der zumindest eine Parameter eine Schwelle überquert, um ein in einer zweiten Phase befindliches Fluid von dem Brennstoffzellenstapel (12) zu spülen; und einem Temperaturerfassungssystem, das eine Fluidtemperaturänderung über den Brennstoffzellenstapel (12) erfasst und ein Signal an den Controller (22) auf Grundlage des Parameters, der die Temperaturänderung darstellt, liefert.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Impulse durch zumindest ein Impulsmerkmal definiert sind, das aus Impulsdauer, Intervall zwischen Impulsen und Impulsform gewählt ist, wie durch den Controller (22) bestimmt wird.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei das zumindest eine Impulsmerkmal auf einem Ausmaß basiert, um das der zumindest eine Parameter von der Schwelle abweicht.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit zumindest einem Spannungssensor, der eine Spannung einer jeweiligen Zelle des Brennstoffzellenstapels (12) erfasst und ein Signal an den Controller (22) liefert.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, wobei der Parameter eine Zellenspannung umfasst und die Schwelle eine minimale Zellenspannungsschwelle ist.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, wobei die Schwelle eine Schwankung der Brennstoffzellenspannung umfasst, die durch eine Größe und/oder Frequenz der Schwankungen der einzelnen Brennstoffzellenspannung definiert ist.
  7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem Spannungssensor (26), der eine Stapelspannung überwacht und ein Signal an den Controller (22) auf Grundlage des Parameters, der die Stapelspannung darstellt, liefert.
  8. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 7, wobei die Schwelle eine minimale Stapelspannung umfasst.
  9. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 7, wobei die Schwelle eine durchschnittliche Spannungsschwankung umfasst, die durch eine Größe und/oder Frequenz von Stapelspannungsschwankungen definiert ist.
  10. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem Druckerfassungssystem, das einen Fluiddruckabfall über den Brennstoffzellenstapel (12) erfasst und ein Signal an den Controller (22) auf Grundlage des Parameters, der den Druckabfall darstellt, liefert.
  11. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, wobei der Schwellenwert einen maximalen Druckabfall umfasst.
  12. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, wobei die Schwelle eine durchschnittliche Schwankung des Druckabfalls umfasst, die durch eine Größe und/oder eine Frequenz von Schwankungen des Stapeldruckabfalls definiert ist.
  13. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Schwellenwert eine maximale Temperaturänderung umfasst.
  14. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Schwelle eine durchschnittliche Schwankung der Temperaturänderung umfasst, die durch eine Größe und/oder eine Frequenz der Schwankungen der Stapeltemperaturänderung definiert ist.
  15. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Parameter ein Widerstand zumindest einer Brennstoffzelle ist.
  16. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Parameter eine Stapellast ist und der Schwellenwert eine minimale Stapellast ist.
  17. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Durchflusssteuervorrichtung (18, 20) ein Durchflussregler ist.
  18. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Controller (22) einen Teil der Durchflusssteuervorrichtung (18, 20) bildet.
  19. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei das in der ersten Phase befindliche Fluid ein Reaktand ist.
  20. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei das in der ersten Phase befindliche Fluid ein Wärmeübertragungsfluid ist.
  21. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels (12), umfassend, dass: eine Strömung eines in einer ersten Phase befindlichen Fluids durch den Brennstoffzellenstapel (12) geliefert wird; zumindest ein Parameter des Brennstoffzellenstapels (12) überwacht wird; und die Strömung gepulst wird, wenn der Parameter eine Schwelle überschreitet, um ein in einer zweiten Phase befindliches Fluid von dem Brennstoffzellenstapel (12) zu spülen, wobei der Parameter eine Fluidtemperaturänderung über den Brennstoffzellenstapel (12) umfasst.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Pulsieren dadurch ausgeführt wird, dass zumindest ein Impulsmerkmal variiert wird, das aus Impulsdauer, Intervall zwischen Impulsen und Impulsform gewählt ist.
  23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Parameter eine Spannung einer oder mehrerer einzelner Zellen des Brennstoffzellenstapels (12), eine Stapelspannung, einen Widerstand von einer oder mehreren einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels (12), einen Stapelwiderstand, einen Druckabfall über den Brennstoffzellenstapel (12), eine Last auf den Brennstoffzellenstapel (12), eine Stapelspannungsschwankung, eine Stapeldruckschwankung und/oder eine Stapeltemperaturschwankung umfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Schwelle eine minimale Zellenspannung, eine minimale Stapelspannung, einen minimalen Zellenwiderstand, einen maximalen Druckabfall, eine maximale Schwankung des Druckabfalls, eine minimale Last, eine maximale Schwankung der Stapelspannung, eine maximale Schwankung des Drucks, eine maximale Temperaturänderung und/oder eine maximale Temperaturschwankung umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Überwachen umfasst, dass der Parameter mit der Schwelle verglichen wird und das Pulsieren durchgeführt wird, indem zumindest ein aus Impulsdauer, Intervall zwischen Impulsen und Impulsform gewähltes Impulsmerkmal auf Grundlage des Parameters und der Schwelle variiert wird.
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