-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Offenlegung betrifft ein Brennstoffzellensystem und
im Spezielleren ein Brennstoffzellenstapel-Hydratationsmesssystem
und -verfahren zum Messen der Hydratation des Brennstoffzellenstapels im
Betrieb.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Eine
Brennstoffzelle wurde als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche
Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere
Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere wurde die Brennstoffzelle als
eine mögliche Alternative für den traditionellen
Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Fahrzeugen verwendet
wird. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als Protonenaustauschmembran
(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Einzelne Brennstoffzellen sind in
Reihe miteinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu
bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an
Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um Leistung an
ein Fahrzeug bereitzustellen.
-
Wie
auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist, müssen die
Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels eine bestimmte relative
Feuchtigkeit (RH) für eine effiziente Leistung aufweisen.
Oft werden Maßnahmen unternommen, um die Membranhydratation
innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten, der die Protonenleitung über
die Membranen hinweg optimiert. Zum Beispiel verwendet in dem
US-Patent Nr. 6 376 111 ,
das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist,
ein Controller eine Rückkopplung, um die Feuchtigkeit einer
Brennstoffzellenanordnung zu steuern. Befeuchter oder Wasserdampfübertragungs (WVT)-Vorrichtungen
werden herkömmlicherweise verwendet, um Einlass-Reaktandengase
zu befeuchten, die an den Brennstoffzellenstapel bereitgestellt
werden. Temperatursteuerungsstrategien auf der Basis einer Beziehung
zwischen der RH und der Brennstoffzellentemperatur, die z. B. über
die Kühlmitteltemperatur gemessen wird, wurden ebenfalls
zum Steuern der Membranhydratation verwendet. Es ist ferner bekannt,
dass weitere Brennstoffzellenparameter wie z. B. Stöchiometrie
und Druck die Brennstoffzellenbefeuchtung beeinflussen.
-
Der
Befeuchtungsgrad in Brennstoffzellensystemen nach dem Stand der
Technik wurde in Ansprechen auf eine Vielzahl von Rückkopplungsindikatoren
gesteuert, die Einlass-RH-, Auslass-RH-, Temperatur-, Druck-, Durchflussraten-
und elektrische Strommessungen umfassen. Allerdings zeigen typische
Sensoren, die zum Messen dieser Indikatoren verwendet werden, oft
eine Drift und können unzuverlässig sein. Es ist
insbesondere bekannt, dass Sensoren für die relative Feuchtigkeit
auf Grund von Korrosion und des Aufquellens der Sensoren bei wiederholter
Exposition gegenüber flüssigem Wasser in Brennstoffzellenanwendungen
von begrenztem Nutzen sind. Daher waren typische Sensoren nicht
so effektiv wie erwünscht zum Zweck der Befeuchtungs-Rückkopplungssteuerung
in Brennstoffzellensystemen.
-
Der
Hochfrequenzwiderstand (HFR) wurde bisher als eine Offline-Labordiagnosetechnik
zum indirekten Messen der MEA-Hydratation in der Brennstoffzelle
verwendet. Typische HFR-Sensoren messen einen Wechselstromwiderstand
der Brennstoffzelle auf der Basis eines Hochfrequenz- Wellenstromes.
Der HFR ist besonders empfindlich gegenüber Änderungen
der RH. Allerdings ist der HFR auch hochempfindlich gegenüber
anderen Brennstoffzellenbedingungen wie z. B. individuelle Unterschiede
im Gesamtmembranwiderstand, Plattenwiderstand und Kontaktwiderstand.
Absolut-HFR-Messungen sind besonders anfällig gegenüber
einer Schwankung des Kontaktwiderstandes. Da der Kontaktwiderstand
eines Brennstoffzellenstapels während des Betriebes mit Änderungen
der Druckkraft, zum Teil auf Grund des Aufquellens und Zusammenziehens
der Membranen, variiert, waren Absolut-HFR-Messungen bisher bei
Online-Hydratationsmessungen von arbeitenden Brennstoffzellenstapeln
nicht einsetzbar.
-
Es
besteht fortgesetzt Bedarf nach einem Online-System und -Verfahren
zum zuverlässigen Messen der Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels
im Betrieb. Wünschenswerterweise verwenden das Online-System
und -Verfahren HFR-Messungen zum Überwachen und Regeln
der Brennstoffzellenstapelbefeuchtung.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß der
vorliegenden Offenlegung wurden überraschenderweise ein
Online-System und -Verfahren zum zuverlässigen Überwachen
und Steuern der Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels im Betrieb
entdeckt, die HFR-Messungen verwenden.
-
In
einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem
einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen. Jede
der Brennstoffzellen weist eine Elektrolytmembran auf, die zwischen
einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem
umfasst ferner eine HFR-Messvorrichtung in elektrischer Verbindung
mit dem Brennstoffzellenstapel. Die HFR-Messvorrichtung ist geeignet,
um einen HFR des Brennstoffzellenstapels zu messen, der zur Berechnung
eines d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses geeignet ist. Ein Feuchtigkeitsregler
steht in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel und ist geeignet,
um eine RH desselben innerhalb eines gewünschten Bereiches
einzustellen. Auch ein Controller steht in elektrischer Verbindung
mit der HFR-Messvorrichtung und dem Feuchtigkeitsregler. Der Controller
ist geeignet, um den Feuchtigkeitsregler in Ansprechen auf das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
zu steuern.
-
In
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur
Online-Bestimmung eines Befeuchtungsgrades eines Brennstoffzellenstapels
die Schritte, dass dem Brennstoffzellenstapel ein Reaktandenstrom zugeführt
wird und eine Störung in den Reaktandenstrom eingebracht
wird. Die Störung ist geeignet, um eine transiente Abweichung
einer RH des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Der HFR des
Brennstoffzellenstapels wird während der Störung
gemessen. Ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis wird aus dem gemessenen
HFR und der transienten Abweichung der RH des Brennstoffzellenstapels
berechnet. Das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis wird in einem mathematischen
Modell korreliert, um eine RH des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren den
Schritt, dass der Befeuchtungsgrad des Brennstoffzellenstapels in
Ansprechen auf das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis gesteuert wird.
Die RH des Brennstoffzellenstapels wird dabei innerhalb eines gewünschten
Bereiches gehalten.
-
Zeichnungen
-
Die
oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung
werden für einen Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten
Beschrei bung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der nachfolgend
beschriebenen Zeichnungen, ohne weiteres verständlich.
-
1 ist
eine seitliche Querschnittsansicht einer illustrativen Brennstoffzelle
nach dem Stand der Technik zur Montage in einem Brennstoffzellenstapel
zur Verwendung mit einem Online-Befeuchtungsbestimmungssystem und
-verfahren der Offenlegung;
-
2 ist
eine schematische graphische Darstellung eines Online-Befeuchtungsbestimmungssystems und
-steuerungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenlegung;
-
3 ist
ein Graph, der illustrative Absolut-HFR-Messungen verschiedener
Brennstoffzellenstapel mit im Wesentlichen identischen Betriebsbedingungen
zeigt;
-
4 ist
ein Graph, der illustrative Absolut-HFR-Messungen eines Brennstoffzellenstapels über
einen typischen Betriebszyklus zeigt;
-
5 ist
ein Graph, der illustrative Absolut-HFR-Messungen eines Brennstoffzellenstapels über
einen Bereich von typischen Betriebstemperaturen zeigt;
-
6 ist
ein Graph, der eine illustrative Störung einer RH eines
Brennstoffzellenstapels unter normalen Betriebsbedingungen und den
Effekt auf Absolut-HFR-Messungen zeigt; und
-
7 ist
ein Graph, der eine illustrative Störung einer RH eines
Brennstoffzellenstapels unter gefluteten Betriebsbedingungen und
den Effekt auf Absolut-HFR-Messungen zeigt.
-
Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
-
Die
nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll die vorliegende
Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken.
Es sollte auch einzusehen sein, dass in den Zeichnungen entsprechende
Bezugsziffern durchweg gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale
bezeichnen. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten
Schritte beispielhaft und sind daher nicht notwendig oder kritisch.
-
1 ist
eine beispielhafte Veranschaulichung einer Brennstoffzelle 2,
die im Stand der Technik bekannt ist. Ein Fachmann sollte einsehen,
dass andere Brennstoffzellenaufbauten innerhalb des Schutzumfangs
der vorliegenden Offenlegung verwendet werden können. Die
Brennstoffzelle 2 umfasst eine Membranelektrodenanordnung
(MEA) 4 mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM) 6,
einer Kathode 8 und einer Anode 10. Die PEM 6 ist
zwischen der Kathode 8 und der Anode 10 angeordnet.
Die Kathode 8 und die Anode 10 umfassen typischerweise
einen fein verteilten Katalysator wie z. B. Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln
getragen und mit einem Ionomer vermischt ist. Es sollte einzusehen
sein, dass die Kathode 8 und die Anode 10 je nach
Wunsch aus anderen geeigneten Materialien gebildet sein können.
-
Eine
erste Gasdiffusionsmedium-(GDM)-Schicht 12 ist benachbart
zu der Kathode 8 auf einer der PEM 6 gegenüberliegenden
Seite angeordnet. Eine zweite GDM-Schicht 14 ist benachbart
zu der Anode 10 auf einer der PEM 6 gegenüberliegenden
Seite angeordnet. Die GDM-Schichten 12, 14 er leichtern
typischerweise eine Lieferung von gasförmigen Reaktanden
wie z. B. Luft (O2) und Wasserstoff (H2) an die MEA 4 für eine elektrochemische
Brennstoffzellenreaktion. Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion
erzeugt Elektrizität und Wasser als ein chemisches Produkt.
Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst ferner eine erste
Platte 16 und eine zweite Platte 18, die benachbart
zu der ersten bzw. zweiten GDM-Schicht 12, 14 angeordnet
sind. Die erste und die zweite Platte 16, 18 besitzen
darin gebildete Strömungskanäle zur Verteilung
von Luft (O2) an die Kathode 8 und
Wasserstoff (H2) an die Anode 10 und
zum Entfernen von Restreaktanden und des Produkts Wasser aus der
Brennstoffzelle. In speziellen Ausführungsformen sind die
erste und die zweite Platte 16, 18 typischerweise
zumindest eine von einer unipolaren Platte und einer bipolaren Platte.
-
Wie
in 2 gezeigt, umfasst ein Brennstoffzellensystem 200 der
vorliegenden Offenlegung einen Brennstoffzellenstapel 202.
Der Brennstoffzellenstapel 202 ist z. B. aus mehreren Brennstoffzellen 2 zusammengesetzt.
Falls gewünscht, kann das Brennstoffzellensystem 200 mehr
als einen Brennstoffzellenstapel 202 umfassen. Der Brennstoffzellenstapel 202 steht
in elektrischer Verbindung mit einer elektrischen Last 204.
Die elektrische Last 24 kann z. B. ein Elektroantriebsmotor
eines Elektrofahrzeuges sein.
-
Der
Brennstoffzellenstapel 202 steht in fluidtechnischer Verbindung
mit einer Reaktandenquelle 206. Die Reaktandenquelle 206 stellt
einen Reaktandenstrom 207 wie z. B. einen Kathodenstrom
oder einen Anodenstrom an den Brennstoffzellenstapel 202 für
die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion bereit. In einer speziellen
Ausführungsform ist die Reaktandenquelle 206 ein
Luftkompressor, der geeignet ist, um Druckluft aus der Umgebung
an die Kathoden 8 des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen.
Ebenso kann die Reaktandenquelle 206 ein Speichergefäß sein, das
geeignet ist, um Wasserstoffgas an die Anoden 10 des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen.
-
In
einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 einen
Feuchtigkeitsregler, wie z. B. eine Temperatursteuerungseinheit 208 und
eine Wasserdampfübertragungs (WVT)-Einheit 210.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel steht die Temperatursteuerungseinheit 208 in
einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlmittelstrom 211,
der dem Brennstoffzellenstapel 202 zugeführt wird.
Der Kühlmittelstrom kann durch den Brennstoffzellenstapel 202 zirkulieren
und eine Temperatur und damit eine relative Feuchtigkeit (RH) des
Brennstoffzellenstapels 202 einstellen. So wie hierin verwendet,
bedeutet die RH des Brennstoffzellenstapels 202 eine RH
der Gase in dem Brennstoffzellenstapel 202, die z. B. durch
eine „Auslass-RH" von ausgestoßenen restlichen
gasförmigen Reaktanden und Produkten angezeigt wird. Wie
auf dem technischen Gebiet bekannt, kann die Temperatursteuerungseinheit 208 verwendet
werden, um eine Temperatur des Kühlmittelstromes 213 auf
einen gewünschten Sollwert einzustellen, der gewählt
ist, um die RH des Brennstoffzellenstapels 202 innerhalb
eines gewünschten Bereiches zu halten.
-
In
einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 die
WVT-Einheit 210. Die WVT-Einheit 210 ist geeignet,
um eine RH des Reaktandenstromes 207, der dem Brennstoffzellenstapel 202 zugeführt
wird, je nach Wunsch einzustellen. Die WVT-Einheit 210 kann
z. B. ein Befeuchter sein, der Wasserdampf von einer Wasserquelle überträgt.
Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel zieht die
WVT-Einheit 210 Wasser aus einem Wasser tragenden Strom
des Brennstoffzellensystems 200 wie z. B. aus einem Anodenaustragstrom
oder einem Kathodenaustragstrom oder einem Reformatstrom. Die WVT-Einheit 210 kann
eine Wasserübertragungsmembran verwenden. In einem weiteren
nicht ein schränkenden Beispiel überträgt
die WVT-Einheit 210 Wasserdampf von einem Reservoir von
flüssigem Wasser. Geeignete WVT-Einheiten 210 sind
auf dem technischen Gebiet bekannt und können je nach Wunsch
verwendet werden. Ein Fachmann sollte einsehen, dass das Brennstoffzellensystem 200 die
Temperatursteuerungseinheit 208 oder die WVT-Einheit 210 oder
beide umfassen kann.
-
Das
Brennstoffzellensystem 200 umfasst auch einen Controller 212 und
eine Hochfrequenzwiderstand (HFR)-Messvorrichtung 214.
Der Controller 212 des Brennstoffzellensystems 200 steht
in elektrischer Verbindung mit der HFR-Messvorrichtung 214.
Der Controller 212 des Brennstoffzellensystems kann auch
in elektrischer Verbindung mit der Temperatursteuerungseinheit 208 und
der WVT-Einheit 210 stehen. Die HFR-Messvorrichtung 214 steht
in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 202 und
ist geeignet, um einen HFR des Brennstoffzellenstapels 202 zu
messen, der zur Berechnung eines d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses
geeignet ist, wie hierin unten stehend weiter beschrieben ist.
-
Wie
in 3 gezeigt, stellen verschiedene Brennstoffzellenstapel 202 mit
im Wesentlichen identischen Betriebsbedingungen oft verschobene
absolute HFR-Werte 300 und 302 bereit. Dies ist
typisch infolge der individuellen Unterschiede im Gesamtplatten-
und Kontaktwiderstand. Wie in 4 gezeigt,
führt eine Erhöhung der Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels 202 und
einer entsprechenden Hydratation der PEM 6 zu einer Verringerung
bei den Absolut-HFR-Messungen. Allerdings schwanken die Absolut-HFR-Messungen auch
beträchtlich zwischen verschiedenen Betriebstemperaturen.
Es wird jetzt erkannt, dass ein Anstieg der Absolut-HFR-Messungen über
den Bereich von RH-Graden oder das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis,
unabhängig von individuellen Unterschieden im Gesamtplatten-
und Kontaktwiderstand, im Wesentlichen derselbe ist. Der Anstieg misst
direkt die Änderung des Membranwiderstandes infolge von
Hydratation, während der Platten- und Kontaktwiderstand
gleich bleibt.
-
Die
Verwendung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses ist besonders
nützlich als ein Indikator der RH des Brennstoffzellenstapels
202 im
Betrieb. Die dynamische Beziehung zwischen der RH des Brennstoffzellenstapels
202 und
den HFR-Messungen kann als die folgende Umwandlungsfunktion ausgedrückt
werden:
und τ
p eine Zeitperiode des Prozesses ist. Wie
in
4 gezeigt, verringert sich der Anstieg Kp (das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis)
wie durch die HFR-Anstiege
400,
402,
404,
406 gezeigt
auf ein Minimum
408 von etwa null in dem Brennstoffzellenstapel
202,
wenn er vollständig befeuchtet ist. Wenngleich das d(HFR)d(RH)-Verhältnis
nominell durch die Temperatur beeinflusst wird, wie durch die d(HFR)/d(RH)-Anstiege
500,
502,
504,
506 in
5 gezeigt,
wird das d(HFR)d(RH)-Verhältnis durch individuelle Unterschiede
im Gesamtmembranwiderstand, Plattenwiderstand und Kontaktwiderstand
nicht wesentlich beeinflusst. Aus diesem Grund ist die Verwendung
des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses anstelle der Absolut-HFR-Messung
zum Abschätzen der RH des Brennstoffzellenstapels
202 besonders
vorteilhaft.
-
Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 2 kann die
HFR-Messvorrichtung 214 der Offenlegung jede beliebige
bekannte Vorrichtung sein, die geeignet ist, um den HFR von Brennstoffzellen
oder Brennstoffzellenkomponenten zu messen. Die HFR-Messvorrichtung
ist geeignet, um den HFR über zumindest eine der PEMs 6 des
Brennstoffzellenstapels 202 zu messen. Als ein nicht einschränkendes
Beispiel steht die HFR-Messvorrichtung 214 in unabhängiger
elektrischer Verbindung mit einer oder mehreren der Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellenstapels 202.
Der HFR der zumindest einen der PEMs 6 ist repräsentativ
für den Befeuchtungsgrad des Brennstoffzellenstapels 214 insgesamt.
Die HFR-Messvorrichtung 214 ist geeignet, um den HFR über
zumindest einen Abschnitt des gesamten Brennstoffzellenstapels 202 zu
messen. Zum Beispiel steht die HFR-Messvorrichtung 214 in
elektrischer Verbindung mit einem ersten Anschluss und einem zweiten
Anschluss des Brennstoffzellenstapels 202. Ein Fachmann
sollte einsehen, dass je nach Wunsch andere Ausgestaltungen der
HFR-Messvorrichtung 214 zum Messen des HFR des Brennstoffzellenstapels 202 gewählt
werden können.
-
Der
Controller 212 ist ausgebildet, um die HFR-Messung und/oder
das daraus mithilfe der HFR-Messvorrichtung 214 berechnete
d(HFR)/d(RH)-Verhältnis zu empfangen. Zum Beispiel kann
das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis aus einer oder mehreren durch
die HFR-Messvorrichtung 214 vorgenommenen HFR-Messungen
im Voraus berechnet und dann an den Controller 212 bereitgestellt
werden. In einer weitere Ausführungsform kann der Controller 212 eine
Funktion umfassen, die das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis mit
der einen oder den mehreren HFR-Messungen berechnet.
-
Es
sollte einzusehen sein, dass der Controller 212 geeignet
ist, um die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 202 periodisch
zu ändern. Zum Beispiel kann der Controller 212 geeignet
sein, um die Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 202 auf
der Basis des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses einzustellen. Eine
Hydratation der PEMs 6 ist dadurch auf innerhalb des gewünschten
Bereiches gesteuert. Als ein weiteres Beispiel kann der Controller 212 geeignet
sein, um den Feuchtigkeitsregler in Ansprechen auf das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
zu steuern. Der Controller 212 verwendet zumindest einen
Algorithmus oder ein mathematisches Modell, der/das z. B. das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
und eine Abschätzung der RH wie z. B. eine Auslass-RH des
Brennstoffzellenstapels 202 korreliert. Die Das mathematische
Modell kann z. B. eine Nachschlagetabelle der d(HFR)/d(RH)-Verhältniswerte
und der Auslass-RH-Werte für eine bestimmte Brennstoffzellenstapel 202-Architektur
und -Betriebstemperatur sein. Die Berechnungen unter Verwendung
des mathematischen Modells werden in Echtzeit ausgeführt,
wodurch eine Online-Messung der Brennstoffzellenstapel 202-Hydratation
zugelassen wird. Als ein nicht einschränkendes Beispiel
kann das mathematische Modell eine standardmäßige
rekursive Schätzfunktion nach der Fehlerquadratmethode
mit exponentieller Vernachlässigung umfassen, die im Stand
der Technik bekannt ist. Es sollte einzusehen sein, dass andere
geeignete Algorithmen oder mathematische Modelle verwendet werden
können, um das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis mit einer Abschätzung
der relativen Feuchtigkeit zu korrelieren.
-
Das
Brennstoffzellensystem 200 kann ferner mindestens einen
zusätzlichen Sensor (nicht gezeigt) umfassen. Der zusätzliche
Sensor kann in elektrischer Verbindung mit dem Controller 212 stehen.
Der zusätzliche Sensor ist geeignet, um die Einlass-RH
und/oder die Auslass-RH und/oder den Brennstoffzellenstapeldruck
und/oder die Brennstoffzellenstapeltemperatur zu überwachen.
In speziellen Ausführungsformen ist der zusätzliche
Sensor ein Temperatursensor, der geeignet ist, um Temperaturmessungen
an den Controller 212 des Brennstoffzellensystems 200 bereitzustellen.
Je nach Wunsch können andere geeignete Sensoren und Konfigurationen
zum Messen des Brennstoffzellensystems 200 gewählt
werden.
-
Die
vorliegende Offenlegung umfasst ferner ein Verfahren zur Online-Ermittlung
der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung. Das Verfahren
umfasst den Schritt, dass der Brennstoffzellenstapel 202 in
elektrischer Verbindung mit der HFR-Messvorrichtung 214 vorgesehen
wird, wie hierin beschrieben. Zum Beispiel wird der Reaktandenstrom 207 wie
z. B. ein Kathodenversorgungsstrom dem Brennstoffzellenstapel 202 zugeführt.
Anschließend an den Schritt zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 202 mit
dem Reaktandenstrom 207 wird eine Störung in den
Reaktandenstrom 207 eingebracht. Als ein nicht einschränkendes
Beispiel ist die Störung eine Änderung einer Stöchiometrie
des Reaktandenstromes wie z. B. eine Änderung der Kathodenstöchiometrie.
Die Änderung der Stöchiometrie kann z. B. ausgeführt
werden, indem eine Änderung einer Durchflussrate des Reaktandenstromes 207 zu
dem Brennstoffzellenstapel 202 bewirkt wird. Je nach Wunsch
können andere geeignete Mittel zum Modifizieren der Reaktandenstöchiometrie
verwendet werden.
-
Die
in den Reaktandenstrom 207 eingebrachte Störung
ist geeignet, um eine transiente Abweichung einer RH des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen.
Aus der Störung resultiert eine Systemverstärkung im
HFR. Ein d(HFR)-Wert wird von der Systemverstärkung im
HFR abgeleitet. Die transiente Abweichung der RH ist auch eine im
Wesentlichen bekannte Größe, von der d(RH) abgeleitet
werden kann, wodurch ferner die Berechnung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses
zugelassen wird. In speziellen Ausführungsformen tritt
die Störung in im Wesentlichen regelmäßigen
Intervallen während des Schrittes zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 202 mit
dem Reaktandenstrom 207 auf. Die Störung kann
je nach Wunsch ein im Wesentlichen konstanter Impuls oder ein unregelmäßiger Impuls
sein. Zum Beispiel kann die unregelmäßige Störung
eine anfängliche Abnahme der RH, gefolgt von einem nachfolgenden
Anstieg der RH, beide in Bezug auf eine RH im stabilen Zustand des
Brennstoffzellenstapels 202, zur Folge haben.
-
Eine
Größenordnung der transienten Schwankung, die
aus der Störung resultiert, ist typischerweise ein Bruchteil
der RH im stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202.
Die Größenordnung wird derart gewählt,
dass sie gegen jeglichen wesentlichen Einfluss auf die Leistung
des Brennstoffzellenstapels 202 auf Grund der Störung
spricht. Illustrativ ist die Größenordnung der
transienten Schwankung, die aus der Störung resultiert,
kleiner als etwa 20% von der RH im stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Größenordnung
der transienten Schwankung kleiner als etwa 10% von der RH im stabilen
Zustand. In einer besonders illustrativen Ausführungsform
ist die Größenordnung der transienten Schwankung
kleiner als etwa 5% von der RH im stabilen Zustand. Ein Fachmann
sollte einsehen, dass je nach Wunsch eine geeignete Größenordnung
gewählt werden kann, die nicht wesentlich von der RH im
stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202 abweicht.
-
Die
transiente Schwankung der RH tritt auch über eine gewählte
Zeitspanne auf, die die Leistung des Brennstoffzellenstapels 202 nicht
wesentlich beeinflusst. Zum Beispiel kann die transiente Schwankung
der RH über eine Zeitspanne von weniger als etwa 90 Sekunden
dauern. In einer Ausführungsform kann die transiente Schwankung
der RH über eine Zeitspanne von weniger als etwa 10 Sekunden
dauern. In einer besonders illustrativen Ausführungsform
kann die transiente Schwankung der RH über eine Zeitspanne
von weniger als etwa 5 Sekunden dauern. Es sollte einzusehen sein,
dass die transiente Schwankung und die Zeitspanne der art gewählt
werden, um den Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellenstapels 202 zu
minimieren, und sie dennoch für eine Ableitung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses
davon ausreichend sind. Zum Beispiel sieht die transiente Schwankung
ein Signal/Rausch-Verhältnis vor, das eine messbare HFR-Reaktion
zulässt.
-
Anschließend
an das Einbringen der Störung in den Reaktandenstrom 207 wird
der HFR des Brennstoffzellenstapels 202 durch die HFR-Messvorrichtung 214 gemessen.
Von der gemessenen Änderung des HFR und der bekannten transienten
Schwankung der RH des Brennstoffzellenstapels 202 während
der Störung wird das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis berechnet.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel beträgt
dann, wenn die Änderung des HFR etwa –0,035 Ω-cm2 und die transiente Abweichung der RH etwa
40% bei einer festen Betriebstemperatur und Zeitspanne betragen,
das berechnete d(HFR)/d(RH)-Verhältnis etwa 0,9 mΩ-cm2/%. Das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
kann dann in dem mathematischen Modell mit RH wie z. B. bekannten
Auslass-RH-Werten des Brennstoffzellenstapels 202 korreliert
werden. Dabei wird die RH des Brennstoffzellenstapels 202 bestimmt.
-
Es
sollte einzusehen sein, dass die Systemmetrik auf der Basis des
d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses und der Betriebstemperatur des
Brennstoffzellenstapels von dem Controller 212 verwendet
werden kann, um den Befeuchtungsgrad des Brennstoffzellenstapels 202 zu
ermitteln. In einer Ausführungsform kann eine optimierte
Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung angezeigt werden,
wenn das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis zwischen einer gewünschten
unteren Grenze und einer gewünschten oberen Grenze liegt.
Ein unterbefeuchteter oder „trockener" Brennstoffzellenstapel
wird z. B. angezeigt, wenn das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
kleiner als die gewünschte untere Grenze ist. Ein überbefeuchteter
oder „gefluteter" Brenn stoffzellenstapel wird z. B. angezeigt, wenn
das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis größer als
die gewünschte obere Grenze ist. Ein Fachmann sollte einsehen,
dass die gewünschten oberen und unteren Grenzen für
das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis je nach Wunsch auf der Basis
zumindest zum Teil der Betriebstemperatur und der speziellen Brennstoffzellenstapel 202-Architektur
gewählt werden kann.
-
Das
vorliegende Verfahren kann auch zum Steuern der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung
verwendet werden. Das Verfahren kann den Schritt umfassen, dass
die RH des Brennstoffzellenstapels 202 in Ansprechen auf
das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis gesteuert wird. Zum Beispiel
kann die Systemmetrik, die die gewünschten oberen und unteren
Grenzen für das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis umfasst,
von dem Controller 212 verwendet werden, um den Feuchtigkeitsregler
zu betreiben. Die Metrik kann z. B. eine „fuzzy" Metrik
wie z. B. d(HFR)/d(RH)-Verhältnisse sein, die „sehr
trockenen", „trockenen", „normalen" und „gefluteten"
Feuchtigkeitsbedingungen zugeordnet sind. Damit wird der Befeuchtungsgrad
des Brennstoffzellenstapels 202 geregelt.
-
In
einer Ausführungsform, in der die Temperatursteuerungseinheit 208 vorgesehen
ist, umfasst der Schritt zum Steuern der RH den Schritt zum Ermitteln
einer gewünschten Brennstoffzellenstapeltemperatur, um
die RH innerhalb des gewünschten Bereiches vorzusehen.
Die gewünschte Brennstoffzellenstapeltemperatur wird auf
der Basis des berechneten d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses gewählt.
Der Kühlmittelstrom 211 kann dem Brennstoffzellenstapel
zugeführt und eine Temperatur des Kühlmittelstromes 211 auf
einen Temperatursollwert geregelt werden, der die gewünschte
Brennstoffzellenstapel 202-Temperatur bereitstellt. Die
RH des Brennstoffzellenstapels 202 wird damit innerhalb
des gewünschten Berei ches gehalten, wenn die gewünschte Brennstoffzellenstapel 202-Temperatur
erreicht ist.
-
Wenn
die WVT-Einheit 210 in dem Brennstoffzellensystem 200 vorgesehen
ist, kann der Schritt zum Steuern der RH des Brennstoffzellenstapels 202 umfassen,
dass eine RH des Reaktandenstromes 207 geregelt wird. Die Änderung
der RH des Reaktandenstromes 207 beeinflusst direkt die
Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 202 und daher die
Hydratation der PEMs 6. Die RH des Brennstoffzellenstapels 202 kann damit
innerhalb des gewünschten Bereiches gehalten werden.
-
Beispiele
-
Wie
in den 6 und 7 veranschaulicht, wurden HFR-Messungen
von beispielhaften Brennstoffzellenmodulen gemäß der
vorliegenden Offenlegung beschafft. Es sollte einzusehen sein, dass
die vorliegende Offenlegung nicht durch die hierin beschriebenen
Beispiele beschränkt ist.
-
In
einem ersten Beispiel, das in 6 veranschaulicht
ist, wurde eine Störung 600 in den Kathodenstrom
eines Brennstoffzellenmoduls eingebracht. Das Brennstoffzellenmodul
arbeitete unter trockeneren als normalen Feuchtigkeitsbedingungen
bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C. Die Störung 600 hatte
eine transiente Schwankung 602 von einer Stationärzustands-Auslass-RH
von etwa 70% zur Folge. Die transiente Schwankung 602 war
ein unregelmäßiger Impuls von anfänglich
etwa –5% von dem stationären Zustand und endete
bei etwa +10% von dem stationären Zustand. Die Größenordnung
der resultierenden transienten Schwankung 602 betrug etwa
15%. Die Zeitspanne für die Störung 600 betrug
etwa 90 Sekunden. Ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis von etwa –2
mΩ-cm2/% für die Brennstoffzellenarchitektur
wurde daher als einen „trocke nen" Befeuchtungsgrad bei
einer Betriebstemperatur von etwa 80°C anzeigend ermittelt.
-
In
einem zweiten Beispiel wurde eine Störung 700 in
den Kathodenstrom eines zweiten Brennstoffzellenmoduls unter normal
befeuchteten Bedingungen eingebracht. Wie in 7 gezeigt,
hatte die Störung 700 eine transiente Schwankung 702 von
einer Stationärzustands-Auslass-RH von etwa 80% zur Folge.
Die Größenordnung der resultierenden transienten
Schwankung 702 lag zwischen etwa –10% und etwa
+20% oder etwa 40 % insgesamt. Die Zeitspanne für die Störung
betrug etwa 90 Sekunden. Ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis von
etwa –0,8 mΩ-cm2/% für
die Brennstoffzellenmodularchitektur wurde daher als einen „normalen"
Befeuchtungsgrad bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C
anzeigend ermittelt.
-
Es
wurde überraschenderweise festgestellt, dass das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
die Abschätzung der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtug
und somit der Hydratation der PEMs 6 des Brennstoffzellenstapels 202 zulässt.
Demzufolge wird die Verwendung von HFR-Messungen zur Online-Ermittlung
und -Steuerung der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung
mit dem Brennstoffzellensystem 200 und den Verfahren der
vorliegenden Offenlegung ermöglicht.
-
Das
d(HFR)/d(RH)-Verhältnis kann auch mit anderen auf dem technischen
Gebiet bekannten Feuchtigkeitssensoren verwendet werden. Die Abschätzung
der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung mit dem d(HFR)/d(RH)-Verhältnis
kann verwendet werden, um Störungen der Feuchtigkeitssensoren
zu diagnostizieren, die ansonsten eine ungeeignete Befeuchtung des
Brennstoffzellenstapels 202 verursachen würden.
Daher kann die Verwendung von HFR-Messungen, wie hierin beschrieben,
zu Systemredundanzzwecken verwendet werden, insbesondere in einem
Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellenstapel 202 betrieben
wird.
-
Da
das/die vorliegende System und Verfahren die Befeuchtungsdetektion
und -steuerung ermöglichen, sind die effektive Lebensdauer
und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 202 optimiert.
Es sollte auch einzusehen sein, dass die Verwendung von HFR-Messungen
in einem Online-System zum Messen und Steuern der Befeuchtung besonders
nützlich für Mehrstapelsysteme sein kann, bei
denen gelegentlich Befeuchtungsungleichgewichte auftreten. Das System
und die Verfahren der vorliegenden Offenlegung können verwendet
werden, um solche Ungleichgewichte je nach Wunsch zu detektieren,
diese zu korrigieren und den Fahrer zu warnen.
-
Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird
für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der
Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten
Ansprüchen weiter beschrieben ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
