DE102005040444A1 - Verfahren zum Überprüfen einer Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, wobei die von der Brennstoffzelle bei einer bestimmten Temperatur zur Verfügung gestellte elektrische Spannung unter geeigneter Berücksichtigung der angelegten elektrischen Last mit Spannungs-Referenzwerten verglichen wird, die bei vergleichbarer elektrischer Last unter verschiedenen Temperaturen im Betrieb einer vergleichbaren Brennstoffzelle unter ausreichender Versorgung mit Reaktanden ermittelt wurden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle.
• Bekanntlich hängen die Leistungsdaten einer Brennstoffzelle stark von deren Abmessungen und Materialeigenschaften ab, ferner vom Druck und der Konzentration der zugeführten Reaktanden, sowie von der Höhe der Aktivierungsenergie und somit insbesondere auch von der aktuellen Betriebstemperatur. Dabei beeinflussen dynamische Änderungen der Betriebsparameter, wie bspw. der Betriebstemperatur, die chemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle. So setzt eine höhere Betriebstemperatur die Aktivierungsenergie herab, so dass die Reaktionen in der Brennstoffzelle schneller ablaufen können. Höhere Drücke in der Reaktanden-Zufuhr sorgen für einen schnelleren Transport der Reaktionsgase zu den Elektroden und somit dort für eine optimale Konzentration. Die Folge solcher Parameter-Veränderungen ist bekanntlich eine Verschiebung der Spannungs-Stromkennlinie der Brennstoffzelle.
• Zur Beurteilung der momentanen Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle im Betrieb sollten folglich immer die aktuellen Randbedingungen berücksichtigt werden. Dies ist jedoch relativ aufwändig und erlaubt insbesondere keine einfache, schnelle Aussage über die Leistungsfähigkeit einer konkreten Brennstoffzelle, weshalb hiermit ein demgegenüber vereinfachtes und schneller durchführbares Überprüfungs-Verfahren aufgezeigt werden soll (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
• Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die Merkmale des einzigen unabhängigen Patentanspruchs gekennzeichnet, d.h. es wird hierzu die von der Brennstoffzelle bei einer bestimmtem Temperatur zur Verfügung gestellte elektrische Spannung unter geeigneter Berücksichtigung der angelegten elektrischen Last mit Spannungs-Referenzwerten verglichen, die bei vergleichbarer elektrischer Last unter verschiedenen Temperaturen im Betrieb einer vergleichbaren Brennstoffzelle unter ausreichender Versorgung mit Reaktanden ermittelt wurden.
• Es wurde erkannt, dass dann, wenn ein konstanter Druck in der Reaktandenversorgung sowie eine gleich bleibende Qualität und Quantität der Reaktanden gewährleistet ist, die aktuelle Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle praktisch die einzige wesentliche Größe bzw. Randbedingung ist, die signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle hat. Dies gilt insbesondere während der Aufwärmphase der Brennstoffzelle. Aber auch nach Erreichen der Betriebstemperatur ist festzustellen, dass unter angelegter elektrischer Last bei gleich bleibendem elektrischen Strom die von der Brennstoffzelle zur Verfügung bereit gestellte elektrische Spannung mit zunehmender Temperatur ansteigt, womit auch die Leistung oder die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle steigt. Die von der Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Spannung ist dann also ein direktes Indiz für deren Leistungsfähigkeit.
• Somit wird vorgeschlagen, entweder für ein spezifisches Brennstoffzellensystem oder für eine spezifische Brennstoffzelle zu Beginn die von dieser Brennstoffzelle bereit gestellte elektrische Spannung unter angelegter elektrischer Last als Polarisationskurvenschar unter realen Bedingungen aufzunehmen, was bspw. im Rahmen einer Qualitätssicherung erfolgen kann. Entsprechende Kennlinien sollen dabei bei verschiedenen jeweils über gewissen Zeitraum konstanten Betriebstemperaturen möglichst über dem gesamten Leistungsbereich der Brennstoffzelle aufgenommen werden. Im Rahmen dieser Ist-Aufnahme ist von einer ausreichenden Versorgung mit Reaktanden, d.h. unter ausreichendem Druck und ausreichender Konzentration, auszugehen, wodurch diese ausreichende Versorgung in die Messreihen mit eingeht und somit bei den weiteren Auswertungen berücksichtigt werden kann.
• Diese Polarisationskurvenschar kann daraufhin in einem mathematischen Verfahren zerlegt und mathematisch beschrieben werden. Da zu diesem Zeitpunkt eine hieraus resultierende Kennlinie praktisch nur von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle abhängig ist, kann somit ein Model erstellt werden, das den Spannungs-Verlauf in Form einer Kennlinie mit Hilfe der Brennstoffzellen-Temperatur als Ausgangsparameter und dem eingestellten Strom nachzeichnen kann, und zwar als sog. Spannungs-Referenzwerte. Alternativ kann die Polarisationskurvenschar jedoch auch selbst sog. Spannungs-Referenzwerte abbilden.
• Später kann im realen Betrieb dieser oder einer hiermit vergleichbaren Brennstoffzelle zur einfachen Ermittlung von deren Leistungsfähigkeit anhand der gemäß vorhergehender Beschreibung gefundenen Kennlinie bzw. anhand der ursprünglich aufgenommenen Polarisationskurvenschar für die jeweils aktuelle Betriebstemperatur unter vergleichbarer elektrischer Last die theoretisch, nämlich bei einer Leistungsfähigkeit von 100% von der Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Spannung als sog. Spannungs-Referenzwert ermittelt werden. Zu diesem Spannungs-Referenzwert bzw. zu diesem theoretischen bzw. ursprünglichen Wert für die elektrische Spannung kann dann einfach die aktuell von der Brennstoffzelle bereit gestellte elektrische Spannung in Relation gesetzt werden, woraus sich die aktuelle Leistungsfähigkeit (in einem Prozentsatz gleich oder geringfügig kleiner 100%) ergibt.
• Die aktuelle elektrische Spannung kann dabei einfach gemessen werden, so dass der entsprechende Überwachungsprozess inklusive der Ermittlung des aktuellen Spannungs-Referenzwertes anhand der besagten Kennlinie oder Polarisationskurvenschar einfach in einer geeigneten elektronischen Steuereinheit, so vorzugsweise im Steuergerät der Brennstoffzelle durchgeführt werden kann.
• Im Idealfall wird sich dabei eine Leistungsfähigkeit von zumindest nahezu 100% einstellen. Liegen jedoch Unregelmäßigkeiten vor, so sinkt die Leistungsfähigkeit signifikant unter diesen Wert. Da die anderen weiter oben genannten Parameter mit in die Referenzmessungen eingeschlossen werden, können auf diese Weise Fehlfunktionen zum Beispiel von Lüftern oder Druckreglern im Brennstoffzellen-System zwar nicht direkt aber zumindest indirekt erkannt werden.
• Die Schwierigkeit einer qualitativen Beurteilung der momentanen Leistungsfähigkeit im Betrieb einer Brennstoffzelle und damit einer Überwachung wird mit dem hier beschriebenen Verfahren gelöst. Das heißt, man kann direkt über eine Anzeige der Leistungsfähigkeit (in Prozent) auf den Zustand der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellen-Systems Rückschlüsse ziehen. Eine Degradation der Brennstoffzelle kann laufend verfolgt und bei Bedarf dokumentiert werden. Sollte die Abweichung vom 100%-Wert einen gewissen Wert überschreiten, so kann – vorzugsweise ausgelöst durch das Steuergerät der Brennstoffzelle – eine geeignete Fehlermeldung ausgegeben werden. Eine Fehlfunktion kann somit schnell erkannt und eine weitergehende Schädigung, die dann auch erhöhte Kosten verursachen kann, verhindert werden. Das vorgeschlagene Verfahren kann aber auch in umgekehrter Richtung angewandt werden, bspw. um (in Annahme einer Leistungsfähigkeit von bspw. 99%) die Temperatur in der Brennstoffzelle zu kalkulieren, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt des Patentanspruchs zu verlassen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Überprüfen der Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle, wobei die von der Brennstoffzelle bei einer bestimmtem Temperatur zur Verfügung gestellte elektrische Spannung unter geeigneter Berücksichtigung der angelegten elektrischen Last mit Spannungs-Referenzwerten verglichen wird, die bei vergleichbarer elektrischer Last unter verschiedenen Temperaturen im Betrieb einer vergleichbaren Brennstoffzelle unter ausreichender Versorgung mit Reaktanden ermittelt wurden.