DE102009007167B4

DE102009007167B4 - Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102009007167B4
Application number: DE102009007167.9A
Authority: DE
Inventors: Sriram Ganapathy; John P. Salvador; Frank X. Leo; Balasubramanian Lakshmanan; Brian Mc Murrough
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: CN101515024A; US20090197155A1; DE102009007167A1; US8088525B2; CN101515024B

Abstract

Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Polarisierungskurve des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von Systemparametern für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung errechnet wird; ein Stromdichte-Sollwert für eine leistungsschwache Zelle bestimmt wird; aus der Polarisierungskurve eine durchschnittliche Zellenspannung bei dem Stromdichte-Sollwert berechnet wird; aus der Polarisierungskurve eine minimale Zellenspannung bei dem Stromdichte-Sollwert berechnet wird; eine Differenzspannung zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung bestimmt wird; und bestimmt wird, ob die Differenzspannung größer als eine erste vorbestimmte Spannungsschwelle ist und/oder die minimale Zellenspannung kleiner als eine zweite vorbestimmte Spannungsschwelle ist, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel eine leistungsschwache Zelle aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern gewisse Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die mit einem Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Stapelcontroller muss Kenntnis über die Strom/Spannungsbeziehung, die als eine Polarisierungskurve bezeichnet wird, des Brennstoffzellenstapels besitzen, um eine richtige Verteilung von Leistung von dem Stapel bereitzustellen und Reaktanden an den Stapel zu liefern. Die Beziehung zwischen der Spannung und dem Strom des Stapels ist typischerweise schwierig zu definieren, da sie nicht linear ist und sich abhängig von vielen Variablen ändert, einschließlich Stapeltemperatur, Stapelpartialdrücken sowie Kathoden- und Anodenstöchiometrien. Zusätzlich ändert sich die Beziehung zwischen dem Stapelstrom und der Spannung, wenn sich der Stapel mit der Zeit verschlechtert. Insbesondere besitzt ein älterer Stapel geringere Zellenspannungen und muss mehr Strom bereitstellen, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen, als ein neuer, nicht verschlechterter Stapel.
Glücklicherweise besteht die Tendenz, dass viele Brennstoffzellensysteme, sobald sie über einer bestimmten Temperatur liegen, wiederholbare Betriebsbedingungen bei einer gegebenen Stromdichte besitzen. In diesen Fällen kann die Spannung ungefähr als eine Funktion von Stapelstromdichte und dem Stapelalter beschrieben werden.
Die Druckschriften DE 103 42 146 A1 , DE 102 17 694 A1 und WO 2006/072 262 A1 beschreiben herkömmliche Verfahren zum Überwachen und/oder Betreiben von Brennstoffzellenstapeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst, dass eine Polarisierungskurve des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von Systemparametern für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung errechnet wird; ein Stromdichte-Sollwert für leistungsschwache Zelle bestimmt wird; aus der Polarisierungskurve eine durchschnittliche Zellenspannung bei dem Stromdichte-Sollwert berechnet wird; aus der Polarisierungskurve eine minimale Zellenspannung bei dem Stromdichte-Sollwert berechnet wird; eine Differenzspannung zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung bestimmt wird; und bestimmt wird, ob die Differenzspannung größer als eine erste vorbestimmte Spannungsschwelle ist und/oder die minimale Zellenspannung kleiner als eine zweite vorbestimmte Spannungsschwelle ist, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel eine leistungsschwache Zelle aufweist.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das geteilte Stapel und einen Controller aufweist;
2 ist ein Schaubild mit der Stapelstromdichte an der horizontalen Achse und der Stapelspannung an der vertikalen Achse, das Polarisierungskurven des Brennstoffzellenstapels für eine durchschnittliche Zelle und eine minimale Zelle in dem Stapel zeigt; und
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess für einen Algorithmus zeigt, der das Potenzial für eine leistungsschwache Zelle in dem Stapel ermittelt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zur Detektion einer potentiell leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur.
Viele Steuerparameter eines Brennstoffzellensystems erfordern Kenntnis der Polarisierungskurve des Brennstoffzellenstapels, wie die Kenntnis des maximalen Spannungspotentials wie auch der maximalen Stromentnahme, die von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist. Wie oben erwähnt ist, ändert sich, wenn der Stapel altert, die Stapelpolarisierungskurve auch infolge einer Stapeldegradation. Die Druckschrift US 2008/0 182 139 A1 mit dem Titel: ”Algorithm for Online Adaptive Polarization Curve Estimation of a Fuel Cell Stack”, die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart einen Algorithmus zur prozessgekoppelten bzw. Berechnung der Polarisierungskurve eines Brennstoffzellenstapels, wenn das Brennstoffzellensystem betrieben wird. Der Algorithmus der Druckschrift US 2008/0 182 139 A1 schätzt zwei oder mehr Stapelparameter aus gesammelten Daten, wenn der Stapel betrieben wird, und verwendet die Parameter, um die Polarisierungskurve zu berechnen. Wenn der Brennstoffzellenstapel läuft und gewisse Datenvaliditätskriterien erfüllt worden sind, geht der Algorithmus in eine zum Sammeln günstige bzw. gute Betriebsart, in der er Stapeldaten sammelt, wie Stapelstromdichte, durchschnittliche Zellenspannung wie auch minimale Zellenspannung. Wenn der Stapel abgeschaltet wird, verwendet der Algorithmus ein Zellenspannungsmodell, um vorbestimmte Parameter abzuschätzen, die die Polarisierungskurve definieren. Wenn die geschätzten Parameter bestimmte Beendigungskriterien erfüllen, dann werden die geschätzten Parameter zur Verwendung durch einen Systemcontroller gespeichert, um die Polarisierungskurve des Stapels für zukünftige Stapelläufe zu berechnen.
1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen ersten geteilten Stapel 12, einen zweiten geteilten Stapel 14 und einen Controller 16 aufweist. Der Controller 16 nimmt Information von den geteilten Stapeln 12 und 14 auf, und der Controller 16 steuert die geteilten Stapel 12 und 14. Der Controller 16 verwendet die Information, um die Polarisierungskurve der Stapel 12 und 14 in Echtzeit zu berechnen und eine potentiell leistungsschwache Zelle zu ermitteln.
2 ist ein Schaubild mit der Stromdichte an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse, das eine Polarisierungskurve 20 für eine durchschnittliche Zelle in dem Brennstoffzellenstapel 12 oder 14 und eine Polarisierungskurve 22 für eine minimale Zelle in dem Stapel 12 oder 14 zeigt. Ein Stromdichte-Sollwert für eine leistungsschwache Zelle j LPC / sp ist auf Grundlage eines Stapeltests, einer Analyse und Bewertung definiert, der dazu verwendet werden kann, eine leistungsschwache Zelle in dem Stapel 12 oder 14 zu ermitteln. Die Stelle, an der der Stromdichte-Sollwert j LPC / sp die Polarisierungskurve 20 an Punkt 24 überschneidet, ermittelt die durchschnittliche Zellenspannung CV^Avg, und an der er die Polarisierungskurve 22 an Punkt 26 überschneidet, ermittelt die minimale Zellenspannung CV^min für den Stromdichte-Sollwert j LPC / sp .
Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, schlägt die vorliegende Erfindung einen Prozess und einen zugeordneten Algorithmus zur Ermittlung oder Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem der Brennstoffzellenstapel 12 oder 14 vor, um vorherzusagen, wann eine leistungsschwache Zelle ein signifikantes Leistungsproblem darstellen kann, bei dem eine Wartung des Brennstoffzellensystems 10 notwendig wird. Insbesondere ermittelt der Algorithmus eine potentiell leistungsschwache Zelle in dem Brennstoffzellenstapel 12 oder 14, die mit der Zeit schlechter wird.
3 ist ein Flussschaubild 30, das einen Prozess für einen Algorithmus, der eine leistungsschwache Zelle bestimmt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei Kasten 32 ruft der Algorithmus Systemparameter ab, typischerweise bei Abschaltung des Brennstoffzellensystems, wie eine Stapelstromdichte, eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung, die dazu verwendet werden können, die Polarisierungskurve des Stapels 12 oder 14 beispielsweise durch den in der '898-Anmeldung offenbarten Prozess zu schätzen. Bei Kasten 34 verwendet der Algorithmus die Systemparameter, um die Polarisierungskurve für sowohl die durchschnittliche Zelle als auch die minimale Zelle in den Stapeln 12 und 14 zu schätzen. Bei Kasten 36 definiert der Algorithmus den Stromdichte-Sollwert j LPC / sp , der dazu verwendet wird, zu ermitteln, ob eine der Brennstoffzellen in den Stapeln 12 oder 14 leistungsschwach ist. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform wird der Stromdichte-Sollwert j LPC / sp mit etwa 0,9 A/cm² gewählt, wobei jedoch jegliche geeignete Stromdichte in dem Bereich von 0,6 bis 15 A/cm² verwendet werden kann. Der Algorithmus berechnet bei Kasten 38 die durchschnittliche Zellenspannung CV^Avg und die minimale Zellenspannung CV^Min an dem Stromdichte-Sollwert j LPC / sp .
Der Algorithmus bestimmt dann bei Kasten 40 eine Deltaspannungsdifferenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung CV^Avg und der minimalen Zellenspannung CV^Min für beide Brennstoffzellenstapel 12 und 14. Der Algorithmus bestimmt dann an der Entscheidungsraute 42, ob die Deltaspannungsdifferenz größer als eine vorbestimmte Niedrigspannungsschwelle ist und die minimale Zellenspannung geringer als eine vorbestimmte Hochspannungsschwelle ist. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist die vorbestimmte Niedrigspannungsschwelle etwa 150 mV und die Hochspannungsschwelle ist etwa 400 mV, wobei jedoch jegliche geeignete Spannung im Bereich von 0–9 mV verwendet werden kann. Wenn diese beiden Bedingungen an der Entscheidungsraute 42 nicht erfüllt sind, kehrt der Algorithmus dann zu dem Kasten 32 zurück, um Systemparameter zur Aktualisierung der Polarisierungskurven abzurufen, typischerweise bei der nächsten Systemabschaltung. Wenn die Deltaspannungsdifferenz an der Entscheidungsraute 42 größer als die vorbestimmte Niedrigspannungsschwelle ist und die minimale Zellenspannung kleiner als die vorbestimmte Hochspannungsschwelle ist, setzt der Algorithmus dann bei Kasten 44 einen Flag für leistungsschwache Zelle, was bedeutet, dass ein Potenzial für eine leistungsschwache Zelle in einem der beiden Stapel 12 oder 14, den der Algorithmus gegenwärtig analysiert, vorhanden ist.
Nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Flags für leistungsschwache Zelle auf Grundlage eines bestimmten Analyseschemas gespeichert worden ist, kann der Algorithmus eine Angabe darüber bereitstellen, dass ein Service notwendig ist, so dass die leistungsschwache Zelle nicht zu schwach wird, als dass ein Schaden an dem Brennstoffzellenstapel auftreten kann.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Anzahl von Vorteilen zur Bestimmung leistungsschwacher Zellen. Beispielsweise sind nur Daten bis zu 0,6 A/cm² erforderlich, um eine leistungsschwache Zelle bei 0,9 A/cm² vorherzusagen. Ferner kann eine leichte Unterscheidung zwischen einer Stapelleistung am Lebensdauerende und einer Leistung bei leistungsschwachem Stapel vorgesehen werden, um zu ermöglichen, dass eine Reparaturwerkstätte Zellen anstatt des gesamten Stapels austauschen kann. Ferner sieht der Prozess ein robustes Verfahren zur Bestimmung einer leistungsschwachen Zelle sogar während einer schlechten Polarisierungskurvenschätzung vor, da er von Schätzungen sowohl der durchschnittlichen Zellenspannung als auch der minimalen Zellenspannung abhängt. Insbesondere werden, wenn die Polarisierungskurve schlecht ist, dann sowohl die Schätzungen der durchschnittlichen Zellenspannung als auch der minimalen Zellenspannung in derselben Richtung verlagert. Auch ist eine Nachbearbeitung von Daten nicht notwendig, um zu bestimmen, dass ein Zustand mit leistungsschwacher Zelle vorhanden ist, da eine Nachbearbeitung nur erforderlich ist, um einen Zellenort zu bestimmen, und es ist leicht, einfach Überwachungsalgorithmen zu schreiben, um das stärkste Auftreten eines Ortes einer minimalen Zelle auszugeben. Ferner vermeidet der Prozess eine dynamische Laufzeitüberwachung leistungsschwacher Zellen und eine falsche Detektion leistungsschwacher Zellen bei Übergängen nach oben aufgrund anderer Steuerprobleme, wie dem Mangel an Luft, etc.

Claims

Verfahren zur Detektion einer leistungsschwachen Zelle in einem Brennstoffzellenstapel, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Polarisierungskurve des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung von Systemparametern für sowohl eine durchschnittliche Zellenspannung als auch eine minimale Zellenspannung errechnet wird; ein Stromdichte-Sollwert für eine leistungsschwache Zelle bestimmt wird; aus der Polarisierungskurve eine durchschnittliche Zellenspannung bei dem Stromdichte-Sollwert berechnet wird; aus der Polarisierungskurve eine minimale Zellenspannung bei dem Stromdichte-Sollwert berechnet wird; eine Differenzspannung zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung bestimmt wird; und bestimmt wird, ob die Differenzspannung größer als eine erste vorbestimmte Spannungsschwelle ist und/oder die minimale Zellenspannung kleiner als eine zweite vorbestimmte Spannungsschwelle ist, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel eine leistungsschwache Zelle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stromdichte-Sollwert für die leistungsschwache Zelle 0,9 A/cm² beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste vorbestimmte Spannungsschwelle kleiner als die zweite vorbestimmte Schwelle ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste vorbestimmte Spannungsschwelle 150 mV beträgt und die zweite vorbestimmte Spannungsschwelle 400 mV beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Bestimmung einer leistungsschwachen Zelle über die Zeit analysiert wird, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel gewartet werden muss.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Analysieren der Bestimmung einer leistungsschwachen Zelle umfasst, dass bestimmt wird, ob eine leistungsschwache Zelle schlechter wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen einer Polarisierungskurve eines Brennstoffzellenstapels umfasst, dass eine Polarisierungskurve des Brennstoffzellenstapels bei Stapelabschaltung berechnet wird
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein geteilter Stapel ist.