DE102010001984A1

DE102010001984A1 - Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102010001984A1
Application number: DE102010001984A
Authority: DE
Inventors: Wei-Kai Chang; Chien-Ping Yeh; Po-Shao Tung; Chiang-Wen Lai
Original assignee: Nan Ya Printed Circuit Board Corp
Current assignee: Nan Ya Printed Circuit Board Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-09-22
Also published as: JP2011119219A; US20110129748A1; TW201121133A

Abstract

Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Das Verfahren weist die Schritte auf: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die zum Zuführen einer Ausgangsleistung zu einer Last verwendet wird, Messen einer mittleren Anfangsspannung der durch die Brennstoffzelle zugeführten Ausgangsleistung, Messen einer ersten mittleren Spannung der Ausgangsleistung, nachdem die Ausgangsleistung der Last von der Brennstoffzelle für ein erstes Zeitintervall zugeführt worden ist, und Unterbrechen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als ein erster zulässiger Spannungsunterschied.

Description

Querverweis
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität von der am 1. Dezember 2009 eingereichten taiwanesischen Patentanmeldung Nr. 098140955 , auf die hierin in ihrer Gesamtheit durch Verweis Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle und insbesondere ein Betriebsverfahren für eine Direktoxidationsbrennstoffzelle.
Beschreibung der verwandten Technik
Aufgrund der allmählichen Erschöpfung herkömmlicher fossiler Brennstoffressourcen und der unter Verwendung fossiler Brennstoffe verursachten Auswirkungen auf die Umwelt wird die Entwicklung alternativer Energiequellen mit einer geringen Umweltbelastung und einem hohen elektrischen Wirkungsgrad immer wichtiger.
Unter den vielen Arten der gegenwärtig entwickelten neuartigen Energiequellen, wie beispielsweise Solarzellen, Bioenergie oder Brennstoffzellen, haben Brennstoffzellen aufgrund ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades und ihrer geringen Umweltbelastung große Beachtung gefunden. Im Gegensatz zu thermischer elektrischer Energie, für die fossile Brennstoffe verwendet werden und für die außerdem mehrere Energieumwandlungsschritte erforderlich sind, kann die chemische Energie von Brennstoffzellen direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Unter Verwendung einer katalytischen Elektrode kann die Reaktionsrate zwischen dem Brennstoff der Brennstoffzelle, z. B. Wasserstoff, und dem Oxidationsmittel, z. B. Sauerstoff, verbessert werden. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist wesentlich höher als derjenige von Energiequellen, die durch thermische elektrische Energie erzeugt werden. Außerdem ist das Nebenprodukt der Brennstoffzelle im Wesentlichen Wasser, das die Umwelt nicht belastet.
In einer Brennstoffzelle wird normalerweise ein aus einem Edelmetall bestehender Katalysator zum Erhöhen des elektrischen Wirkungsgrades verwendet. Beispielsweise wird häufig Platin als Katalysator in einer heterogenen katalytischen Reaktion verwendet. Nachdem eine Brennstoffzelle für eine bestimmte Zeitdauer in Betrieb war, wird die katalytische Leistung des Katalysators abgenommen haben, was zu einer Abnahme des elektrischen Wirkungsgrades der Brennstoffzelle führt, weil die Oberfläche des Katalysators durch andere Verbindungen in der reaktiven Umgebung vergiftet werden kann. Er kann auch durch Ablagerungen oder andere Rückständebeschichtet werden, die während der Reaktion entstehen. Wenn als Beispiel eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle betrachtet wird, kann ein Teil des Methanols durch Diffusion oder elektroosmotischen Transport (electro-osmotic drag) einen Elektrolyt einer Membranelektrodeneinheit durchdringen. Daher kann Methanol eine Kathodenseite erreichen und den Katalysator in der Kathode vergiften. Wenn die katalytische Elektrode der Brennstoffzelle übergiftet ist, kann eine permanente Schädigung auftreten, wodurch die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle vermindert werden. Außerdem kann in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle Kohlendioxidgas, das an einer Anodenseite erzeugt wird, auf der Oberfläche der katalytischen Elektrode absorbiert werden, wodurch die Reaktionsfläche der katalytischen Elektrode vermindert und damit die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabgesetzt wird.
Daher ist, um eine Brennstoffzelle geeignet zu verwenden und eine stabile Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, ein neuartiges Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle erwünscht.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Das Verfahren weist die Schritte auf: Bereitstellen einer Brennstoffzelle zum Zuführen einer Ausgangsleistung zu einer Last, Messen einer mittleren Anfangsspannung der durch die Brennstoffzelle zugeführten Ausgangsleistung, Messen einer ersten mittleren Spannung der Ausgangsleistung, nachdem die Ausgangsleistung der Last durch die Brennstoffzelle für ein erstes Zeitintervall zugeführt worden ist, und Unterbrechen der Bereitstellung der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als ein erster zulässiger Spannungsunterschied.
Nachstehend werden Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2a und 2b zusammen ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für eine Brennstoffzelle; und
3 ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung stellt die gegenwärtig als am besten erachtete Technik zum Implementieren der Erfindung dar. Die Beschreibung dient lediglich zum Erläutern der allgemeinen Prinzipien der Erfindung und soll nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist gemäß den beigefügten Ansprüchen definiert.
Es ist klar, dass durch die folgende Beschreibung viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale der Erfindung dargestellt werden. Nachstehend werden spezifische Beispiele von Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen. Diese dienen jedoch lediglich als Beispiele und sollen nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Eine durch die Brennstoffzelle erzeugte mittlere Spannung wird gemessen und mit einer mittleren Anfangsspannung verglichen. Wenn ein Spannungsunterschied zwischen der gemessenen mittleren Spannung und der mittleren Anfangsspannung größer ist als ein vorgegebener Wert, wird die Zufuhr einer Ausgangsleistung durch die Brennstoffzelle vorübergehend unterbrochen, um zu verhindern, dass eine katalytische Elektrode der Brennstoffzelle weiter vergiftet wird, und um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle wiederzugewinnen.
Bevor nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, wird ein dem Erfinder. bekanntes Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle beschrieben. In diesem Verfahren wird eine Energiequelle, die einer Brennstoffzelle Energie zuführt, nach einem vorgegebenen Zeitintervall periodisch unterbrochen. Nachdem die der Brennstoffzelle zugeführte Energie unterbrochen wurde, kann die Funktion einer vergifteten katalytischen Elektrode allmählich wiedergewonnen und eine Vergiftung allmählich eliminiert werden.
Der Erfinder weist jedoch darauf hin, dass durch das vorstehend erwähnte Verfahren eine Brennstoffzelle nicht geeignet verwendet und die Brennstoffzelle nicht vor einer Übergiftung geschützt werden kann. Wenn beispielsweise eine Brennstoffzelle geeignet arbeitet, sollte sie für eine längere Zeitdauer in Betrieb sein können. Gemäß diesem Verfahren wird jedoch die der Brennstoffzelle zugeführte Energie periodisch unterbrochen, wodurch der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle vermindert wird. Andererseits fährt, wenn eine Brennstoffzelle relativ schlecht arbeitet, die Brennstoffzelle damit fort, Ausgangsleistung zuzuführen, bis die nächste ”Unterbrechungs”periode erreicht wird. Die katalytische Elektrode kann während dieser Periode weiter vergiftet werden. Es ist sogar möglich, dass die katalytische Elektrode permanent geschädigt wird, wodurch die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle herabgesetzt werden.
Um eine Brennstoffzelle geeignet zu verwenden und die Brennstoffzelle vor einer Übergiftung zu schützen, werden Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt. Gemäß einer Ausführungsform werden Spannungen der Brennstoffzelle gemessen. Wenn die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle auf einen vorgegebenen Grad abgenommen hat, unterbricht die Brennstoffzelle vorübergehend die Bereitstellung elektrischer Leistung, so dass die vergiftete katalytische Elektrode rechtzeitig regeneriert und verhindert wird, dass die katalytische Elektrode übergiftet wird. Dadurch wird nicht nur der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle effektiv genutzt, sondern darüber hinaus wird eine permanente Schädigung der katalytischen Elektrode der Brennstoffzelle verhindert. Dadurch werden die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer der Brennstoffzelle wesentlich verbessert.
1 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, das zum Erläutern einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für eine Brennstoffzelle dient. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Betriebsverfahren für die in Ausführungsformen der Erfindung erwähnte Brennstoffzelle nicht darauf beschränkt ist, nur in Verbindung mit dem in 1 dargestellten System ausgeführt zu werden. Für Fachleute ist ersichtlich, dass das in 1 dargestellte System lediglich ein zur Erläuterung dienendes Beispiel ist. Das Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auch mit einem anderen Brennstoffzellensystem ausgeführt werden.
Gemäß 1 wird in diesem Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellen-Stack 10 zum Bereitstellen einer Ausgangsleistung zu einer Last 12 verwendet. Der Brennstoffzellen-Stack 10 weist mehrere Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheiten auf, die miteinander elektrisch in Serie geschaltet sind, um eine gewünschte Spannung bereitzustellen. Die Anzahl der Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheiten kann in Abhängigkeit von Anforderungen geändert werden. Die Last 12 kann ein beliebiges elektronisches Produkt sein, das elektrische Energie verbraucht. In den Ausführungsformen der Erfindung ist der Brennstoffzellen-Stack 10 normalerweise ein Direktoxidationsbrennstoffzellen-Stack, wie beispielsweise eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle.
Wie in 1 dargestellt ist, weist das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzufuhreinheit 18 und eine Oxidationsmittelzufuhreinheit 20 auf, die dazu verwendet werden, dem Brennstoffzellen-Stack 10 einen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, bzw. ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, zuzuführen. Die Brennstoffzelle weist ferner eine Steuereinheit 16, einen Schalter 14 und eine Batterie 22 auf. Die Brennstoffzufuhr durch die Brennstoffzufuhreinheit 18 und die Oxidationsmittelzufuhr durch die Oxidationsmittelzufuhreinheit 20 werden durch die Steuereinheit 16 gesteuert. Die Steuereinheit 16 steuert über den Schalter 14 die Zufuhr der Ausgangsleistung vom Brennstoffzellen-Stack 10 zur Last 12. Beispielsweise kann, wenn die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabgesetzt ist, der Schalter 14 geöffnet werden, um die weitere Zufuhr der Ausgangsleistung vom Brennstoffzellen-Stack 10 zur Last 12 zu unterbrechen. Hierbei kann die Zufuhr des einer Anode des Brennstoffzellen-Stacks 10 zugeführten Brennstoffs vermindert oder unterbrochen werden. Außerdem kann die Zufuhr des einer Kathode des Brennstoffzellen-Stacks 10 zugeführten Oxidationsmittels unterbrochen werden. Während der Zeitdauer, während der die Zufuhr der Ausgangsleistung vom Brennstoffzellen-Stack 10 unterbrochen ist, kann die zur Last 12 elektrisch parallel geschaltete Batterie 22 verwendet werden, um vorübergehend eine elektrische Quelle für die Last 12 bereitzustellen, so dass der Betrieb der Last 12 fortgesetzt werden kann. Wenn die Zufuhr der Ausgangsleistung vom Brennstoffzellen-Stack 10 unterbrochen ist, kann der Brennstoff im Inneren des Brennstoffzellen-Stacks 10 zu den katalytischen Elektroden diffundieren. Wenn der Brennstoffzellen-Stack 10 nicht in Betrieb ist, kann die vergiftete katalytische Elektrode mit dem Brennstoff reagieren und allmählich regeneriert werden, wodurch der Vergiftungsgrad der katalytischen Elektrode vermindert oder eliminiert wird. Anschließend kann die der Anode des Brennstoffzellen-Stacks 10 zugeführte Brennstoffmenge wieder erhöht werden oder die Brennstoffzufuhr kann wieder gestartet werden. Die Oxidationsmittelzufuhr zur Kathode des Brennstoffzellen-Stacks 10 kann wieder gestartet werden. Die Bereitstellung der Ausgangsleistung zur Last 12 kann wieder gestartet werden.
Nachstehend wird eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens 200 für eine Brennstoffzelle unter Bezug auf das in den 2a und 2b dargestellte Ablaufdiagramm näher erläutert. Das Verfahren 200 beginnt in Schritt S0. Zunächst wird ein Brennstoffzellensystem aufgebaut. Beispielsweise kann ein in 1 dargestelltes System aufgebaut werden.
Dann schreitet das Verfahren 100 zu Schritt S1 fort, in dem einer Last eine Ausgangsleistung zugeführt wird. Dann wird in Schritt S2 eine mittlere Anfangsspannung der Ausgangsleistung gemessen. Typischerweise sind die Spannungen der Ausgangsleistung in der Anfangsphase des Betriebs einer Brennstoffzelle relativ instabil. Daher wird normalerweise die mittlere Anfangsspannung der Ausgangsleistung gemessen und berechnet, nachdem die Brennstoffzelle für eine bestimmte Zeitdauer in Betrieb war. Beispielsweise kann die mittlere Anfangsspannung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle gemessen und berechnet werden, nachdem die Brennstoffzelle die Ausgangsleistung nach Betriebsbeginn z. B. für etwa eine Minute geliefert hat. Für Fachleute ist ersichtlich, dass das Verfahren zum Messen und Berechnen der mittleren Anfangsspannung gemäß der Situation geändert werden kann. Beispielsweise kann die mittlere Anfangsspannung gemessen und berechnet werden, nachdem die Brennstoffzelle die Ausgangsleistung für 0,5, 2 oder 3 Minuten geliefert hat. Die mittlere Anfangsspannung kann durch Messen mehrerer Spannungswerte zu verschiedenen Zeitpunkten während einer bestimmten Zeitdauer bestimmt werden. Ein Mittelwert dieser gemessenen Spannungswerte stellt die mittlere Anfangsspannung der Brennstoffzelle dar. Beispielsweise kann die Ausgangsleistung während einer Zeitdauer von 5 Sekunden jede Sekunde gemessen werden. Die erhaltenen 5 Spannungswerte werden gemittelt, um die mittlere Anfangsspannung der Brennstoffzelle zu bestimmen. Gemäß einem anderen Beispiel kann die Ausgangsleistung während einer Zeitdauer von 10 Sekunden alle 2 Sekunden gemessen werden. Die erhaltenen Spannungswerte werden gemittelt, um die mittlere Anfangsspannung der Brennstoffzelle zu bestimmen. Die Bestimmung der mittleren Anfangsspannung einer Brennstoffzelle ist nicht auf die vorstehend erwähnten Beispiele beschränkt, sondern die Anfangsspannung kann gemäß der Situation durch ein anderes Verfahren bestimmt werden.
Das Verfahren 200 schreitet zu Schritt S3 fort, in dem die Ausgangsleistung der Last für ein erstes Zeitintervall weiterhin zugeführt wird. In Schritt S4 wird nach Ablauf des ersten Zeitintervalls eine erste mittlere Spannung der Ausgangsleistung gemessen. Beispielsweise kann ein ähnliches Verfahren wie das zum Bestimmen der mittleren Anfangsspannung verwendete Verfahren zum Messen und Berechnen der ersten mittleren Spannung der Ausgangsleistung angewendet werden. Das erste Zeitintervall kann gemäß der Situation festgelegt werden. Beispielsweise kann nach Abschluss von Schritt S2 die erste mittlere Spannung gemessen und berechnet werden, nachdem die Ausgangsleistung der Last für etwa 9 Minuten zugeführt worden ist. Gemäß einem anderen Beispiel kann nach Abschluss von Schritt S2 die erste mittlere Spannung gemessen und berechnet werden, nachdem die Ausgangsleistung der Last für etwa 15 Minuten zugeführt worden ist. Das erste Zeitintervall kann gemäß verschiedenen Situationen eingestellt werden. Typischerweise ist es, wenn die Brennstoffzelle in einer Anwendung betrieben wird, bei der die Brennstoffzelle leicht übergiftet werden kann, bevorzugt, ein relativ kurzes erstes Zeitintervall zu verwenden. Wenn die Brennstoffzelle in einer Anwendung betrieben wird, bei der die Brennstoffzelle nicht leicht übergiftet werden kann, kann dagegen ein relativ langes erstes Zeitintervall verwendet werden.
Das Verfahren 200 schreitet zu Schritt S5 fort, in dem ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung berechnet und mit einem ersten zulässigen Spannungsunterschied verglichen wird. Wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied, hat die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle möglicherweise wesentlich oder sogar über ein zulässiges Maß hinaus abgenommen. In diesem Zustand kann die katalytische Elektrode der Brennstoffzelle in einem spezifischen Grad vergiftet sein, so dass der Spannungsunterschied zwischen der ersten mittleren Spannung und der mittleren Anfangsspannung zu hoch ist (größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied). Um zu verhindern, dass die vergiftete katalytische Elektrode weiter vergiftet und möglicherweise irreversibel geschädigt wird, muss die Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last unterbrochen werden.
In Schritt S6 wird, weil der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied, die Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last unterbrochen. Dadurch kann, bevor die katalytische Elektrode der Brennstoffzelle stark vergiftet wird, die teilweise vergiftete katalytische Elektrode allmählich regeneriert werden, um eine weitere Vergiftung der Brennstoffzelle zu vermindern oder zu verhindern. Dadurch wird die Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich verbessert. Außerdem kann, um eine glatte Regenerierung der Brennstoffzelle zu gewährleisten, die Brennstoffzufuhr vermindert oder unterbrochen werden, und die Oxidationsmittelzufuhr kann ebenfalls unterbrochen werden.
Dann kann, nachdem die Regenerierung der Brennstoffzelle im Wesentlichen abgeschlossen ist, Schritt S7 ausgeführt werden, in dem die Brennstoff- und die Oxidationsmittelzufuhr wiederaufgenommen bzw. erhöht werden. Die regenerierte Brennstoffzelle kann wieder beginnen, der Last Ausgangsleistung zuzuführen. D. h., nach Schritt S7 beginnt das Verfahren 200 erneut mit Schritt S1.
Im vorstehend erwähnten Verfahren kann der Wert des ersten zulässigen Spannungsunterschieds gemäß verschiedenen Situationen eingestellt werden. Typischerweise ist es, wenn die Brennstoffzelle in einer Anwendung betrieben wird, bei der die Brennstoffzelle leicht übergiftet werden kann, bevorzugt, einen relativ niedrigen ersten zulässigen Spannungsunterschied zu verwenden. Daher kann der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung den ersten zulässigen Spannungsunterschied schneller überschreiten, so dass Schritt S6 häufiger ausgeführt wird. Der Regenerierungsprozess der Brennstoffzelle wird daher häufiger ausgeführt, um eine Übergiftung zu verhindern. Wenn dagegen die Brennstoffzelle in einer Anwendung betrieben wird, bei der die Brennstoffzelle nicht so leicht übergiftet werden kann, kann ein relativ hoher erster zulässiger Spannungsunterschied verwendet werden. Dadurch kann die Brennstoffzelle geeignet verwendet werden und wird der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht.
Normalerweise beträgt die Ausgangsleistung einer einzelnen Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheit vor einer Vergiftung etwa 0,5 Volt. Wenn die Spannung der Ausgangsleistung auf etwa 0,3 Volt abgenommen hat, kann die einzelne Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheit als bis zu einem Punkt vergiftet betrachtet werden, an dem sie für einen weiteren Betrieb nicht mehr geeignet ist. In diesem Fall sollte die Ausgangsleistungszufuhr unterbrochen werden, um eine Übergiftung zu verhindern. In dieser Situation kann der erste zulässige Spannungsunterschied auf 0,2 Volt gesetzt werden. Nachdem festgestellt worden ist, dass die Spannung um über 0,2 Volt abgenommen hat, sollte die Zufuhr der Ausgangsleistung durch die Brennstoffzelle unterbrochen werden, sodass die Brennstoffzelle regeneriert werden kann. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der erste zulässige Spannungsunterschied nicht auf 0,2 Volt beschränkt ist. Für eine einzelne Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheit kann der erste zulässige Spannungsunterschied beispielsweise im Bereich zwischen etwa 0,011 Volt und 0,2 Volt liegen.
Außerdem kann für einen Brennstoffzellen-Stack, weil er mehrere einzelne Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheiten aufweist, die elektrisch in Serie geschaltet sind, ein relativ hoher erster zulässiger Spannungsunterschied verwendet werden. Für einen Brennstoffzellen-Stack kann der erste zulässige Spannungsunterschied beispielsweise einem Vielfachen des ersten zulässigen Spannungsunterschiedes der einzelnen Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheit gleichen. Beispielsweise kann der erste zulässige Spannungsunterschied für einen Brennstoffzellen-Stack mit 20 einzelnen Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheiten, die elektrisch in Serie geschaltet sind, im Bereich zwischen etwa 0,22 Volt und 4 Volt liegen. Außerdem kann der erste zulässige Spannungsunterschied in Abhängigkeit von verschiedenen Materialsystemen der Brennstoffzelle, verschiedenen Anwendungen, verschiedenen Lasten und/oder verschiedenen Betriebsumgebungen, z. B. verschiedenen Temperaturen, entsprechend eingestellt werden.
Wenn in Schritt S5, wie vorstehend erwähnt wurde, der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied, schreitet das Verfahren 200 zu Schritt S6 fort. Wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung kleiner ist als der erste zulässige Spannungsunterschied, schreitet das Verfahren 200 dagegen zu Schritt S8 fort, in dem die Brennstoffzelle der Last für ein zweites Zeitintervall weiterhin die Ausgangsleistung zuführt. In diesem Fall ist, weil die Spannung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nicht zu stark abgenommen hat, die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiterhin gut, und die Brennstoffzelle ist nicht übergiftet. Daher führt die Brennstoffzelle der Last weiterhin die Ausgangsleistung zu, um einen höheren elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen. Das zweite Zeitintervall kann ähnlicherweise gemäß der Situation eingestellt werden. Beispielsweise kann das zweite Zeitintervall etwa 2 Minuten betragen. Gemäß einem anderen Beispiel kann das zweite Zeitintervall etwa 3 Minuten betragen.
Das Verfahren 200 schreitet zu Schritt S9 fort, in dem eine zweite mittlere Spannung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle gemessen und berechnet wird. Die zweite mittlere Spannung kann durch ein Verfahren gemessen werden, das dem zum Messen der ersten mittleren Spannung verwendeten Verfahren ähnlich ist.
Das Verfahren schreitet dann zu Schritt S10 fort, in dem ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der zweiten mittleren Spannung berechnet und mit einem zweiten zulässigen Spannungsunterschied verglichen wird. Der zweite zulässige Spannungsunterschied darf nicht größer sein als der erste zulässige Spannungsunterschied. In einer Ausführungsform gleicht der zweite zulässige Spannungsunterschied dem ersten zulässigen Spannungsunterschied. In einer anderen Ausführungsform ist der zweite zulässige Spannungsunterschied kleiner als der erste zulässige Spannungsunterschied. Typischerweise ist die durch die Brennstoffzelle zugeführte Ausgangsleistung, wenn das Verfahren zu Schritt S10 fortschreitet, durch die Brennstoffzelle für eine bestimmte Zeitdauer kontinuierlich zugeführt worden, so dass die katalytische Elektrode der Brennstoffzelle bis zu einem spezifischen Grad vergiftet worden sein kann. Zu diesem Zeitpunkt ist es, um zu gewährleisten, dass die Brennstoffzelle nicht übergiftet wird, bevorzugt, einen zweiten zulässigen Spannungsunterschied zu verwenden, der kleiner ist als der erste zulässige Spannungsunterschied, so dass die Brennstoffzelle frühzeitiger regeneriert werden kann.
Wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der zweiten mittleren Spannung größer ist als der zweite zulässige Spannungsunterschied, hat die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ein zulässiges Maß unterschritten. Um zu verhindern, dass die vergiftete katalytische Elektrode weiter vergiftet und irreversibel geschädigt wird, sollte die Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last unterbrochen werden. Daher muss das Verfahren 200 zu Schritt S6 zurückspringen, um zu gewährleisten, dass die Brennstoffzelle regeneriert werden kann. Außerdem kann das Verfahren 200 nach der Regenerierung zu Schritt S7 fortschreiten, woraufhin die Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last wieder gestartet werden kann.
Ähnlicherweise schreitet das Verfahren 200 in Schritt S10, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der zweiten mittleren Spannung kleiner ist als der zweite zulässige Spannungsunterschied, zu Schritt S11 fort, in dem die Brennstoffzelle der Last für ein drittes Zeitintervall weiterhin die Ausgangsleistung zuführt. In diesem Fall ist, weil die Spannung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nicht zu stark abgenommen hat, die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle weiterhin gut, und die Brennstoffzelle ist nicht stark vergiftet. Daher führt die Brennstoffzelle der Last weiterhin die Ausgangsleistung zu, wodurch ein besserer elektrischer Wirkungsgrad erzielt wird. Das dritte Zeitintervall kann ähnlicherweise gemäß der Situation eingestellt werden. Beispielsweise kann das dritte Zeitintervall etwa 2 Minuten betragen. Gemäß einem anderen Beispiel kann das dritte Zeitintervall etwa 3 Minuten betragen.
Ähnlicherweise schreitet das Verfahren 200 zu Schritt S12 fort, in dem eine dritte mittlere Spannung der Ausgangsleistung gemessen und berechnet wird. Daraufhin schreitet das Verfahren 200 zu Schritt S13 fort, in dem ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und dritten mittleren Spannung berechnet und mit einem dritten zulässigen Spannungsunterschied verglichen wird. Wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und dritten mittleren Spannung größer ist als der dritte zulässige Spannungsunterschied, bedeutet dies, dass die katalytische Elektrode der Brennstoffzelle übergiftet wird. Das Verfahren 200 muss dann zu Schritt S6 zurückspringen, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle rechtzeitig regeneriert wird. Nachdem die Brennstoffzelle regeneriert wurde, kann das Verfahren 200 zu Schritt S7 fortschreiten, und die Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last kann fortgesetzt werden.
Der dritte zulässige Spannungsunterschied darf nicht größer sein als der zweite zulässige Spannungsunterschied. In einer Ausführungsform gleicht der dritte zulässige Spannungsunterschied dem zweiten zulässigen Spannungsunterschied. In einer anderen Ausführungsform ist der dritte zulässige Spannungsunterschied kleiner als der zweite zulässige Spannungsunterschied. Typischerweise hat, wenn das Verfahren zu Schritt S13 fortschreitet, die Brennstoffzelle die Ausgangsleistung für eine solche Zeitdauer kontinuierlich zugeführt, dass die katalytische Elektrode der Brennstoffzelle bis zu einem spezifischen Grad vergiftet worden sein kann. Zu diesem Zeitpunkt ist es, um zu gewährleisten, dass die Brennstoffzelle nicht übergiftet wird, bevorzugt, einen dritten zulässigen Spannungsunterschied zu verwenden, der kleiner ist als der zweite zulässige Spannungsunterschied, so dass die Brennstoffzelle frühzeitiger regeneriert wird.
Ähnlicherweise kann in Schritt S13, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der dritten mittleren Spannung kleiner ist als der dritte zulässige Spannungsunterschied, die Brennstoffzelle weiterhin die Ausgangsleistung bereitstellen. Durch ähnliche Verfahren können ein vierter zulässiger Spannungsunterschied oder sogar ein fünfter zulässiger Spannungsunterschied gesetzt werden. Daher kann die Brennstoffzelle damit fortfahren, Ausgangsleistung bereitzustellen, wenn sie geeignet arbeitet, wodurch der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert wird. Außerdem kann die Brennstoffzelle rechtzeitig und schnell regeneriert werden, bevor sie übergiftet wird, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht wird.
3 zeigt ein schematisches Diagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 300. Das System 300 ist dazu geeignet, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für eine Brennstoffzelle auszuführen, wie beispielsweise das in den 2a und 2b dargestellte Verfahren 200.
Das System 300 weist eine Brennstoffzelleneinheit 302 auf, die dazu verwendet wird, einer Last 304 eine Ausgangsleistung zuzuführen. Das System 300 weist eine Spannungsmesseinheit 306 auf, die dazu verwendet wird, mehrere Spannungen der Ausgangsleistung zu verschiedenen Zeitpunkten zu messen. Das System 300 weist eine Steuereinheit 308 auf, die dazu verwendet wird, eine mittlere Anfangsspannung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinheit 302 gemäß einem Teil der durch die Spannungsmesseinheit 306 gemessenen Spannungen zu bestimmen. Nachdem die mittlere Anfangsspannung bestimmt wurde, kann die Steuereinheit 308 eine mittlere Spannung der Ausgangsleistung gemäß einem Teil der durch die Spannungsmesseinheit 306 gemessenen Spannungen bestimmen. Die Steuereinheit 308 berechnet außerdem einen Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der mittleren Spannung. Beispielsweise kann die Steuereinheit 308 einen Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung (oder der zweiten oder der dritten mittleren Spannung) berechnen. Wenn der Spannungsunterschied größer ist als ein zulässiger Spannungsunterschied, z. B. der erste zulässige Spannungsunterschied, unterbricht die Steuereinheit 308 die Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelleneinheit 302 zur Last 304. Dadurch kann die Brennstoffzelleneinheit 302 rechtzeitig regeneriert werden.
Außerdem kann das System 300, wie in 3 dargestellt ist, ferner eine Brennstoffzufuhreinheit 310 und eine Oxidationsmittelzufuhreinheit 312 aufweisen, die dazu verwendet werden, einer Anode der Brennstoffzelleneinheit 302 Brennstoff zuzuführen bzw. einer Kathode der Brennstoffzelleneinheit 302 ein Oxidationsmittel zuzuführen. Die Brennstoffzufuhreinheit 310 und die Oxidationsmittelzufuhreinheit 312 werden durch die Steuereinheit 308 gesteuert. Wenn der Spannungsunterschied größer ist als der zulässige Spannungsunterschied, kann die Steuereinheit 308 die Brennstoffzufuhreinheit 310 veranlassen, die Brennstoffzufuhr zu unterbrechen oder zu vermindern. Die Steuereinheit 308 kann außerdem die Oxidationsmittelzufuhreinheit 312 veranlassen, die Oxidationsmittelzufuhr zu unterbrechen. In einer Ausführungsform kann das System 300 ferner eine Batterie aufweisen. Wenn die Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelleneinheit 302 zur Last 304 unterbrochen ist, kann die Batterie zum vorübergehenden Zuführen von Leistung zur Last verwendet werden. Beispielsweise kann die Batterie auf eine ähnliche Weise wie in 1 dargestellt mit der Last 304 verbunden sein.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle überwacht. Dadurch kann die Energiebereitstellung von der Brennstoffzelle zu einem geeigneten Zeitpunkt unterbrochen werden, so dass die Brennstoffzelle rechtzeitig regeneriert werden kann. Es werden sowohl ein guter elektrischer Wirkungsgrad als auch eine lange Lebensdauer der Brennstoffzelle erzielt.
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Für Fachleute ist ersichtlich, dass innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können und ähnliche Anordnungen realisierbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

TW 098140955 [0001]

Claims

Betriebsverfahren für eine Brennstoffzelle, mit den Schritten: Bereitstellen einer Brennstoffzelle, die zum Zuführen einer Ausgangsleistung zu einer Last verwendet wird; Messen einer mittleren Anfangsspannung der durch die Brennstoffzelle zugeführten Ausgangsleistung; Messen einer ersten mittleren Spannung der Ausgangsleistung, nachdem die Ausgangsleistung der Last von der Brennstoffzelle für ein erstes Zeitintervall zugeführt worden ist; und Unterbrechen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als ein erster zulässiger Spannungsunterschied.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Zuführen eines Brennstoffs zu einer Anode der Brennstoffzelle; und Zuführen eines Oxidationsmittels zu einer Kathode der Brennstoffzelle.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Brennstoff durch eine Brennstoffzufuhreinheit und das Oxidationsmittel durch eine Oxidationsmittelzufuhreinheit zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt zum Vermindern oder Unterbrechen der Brennstoffzufuhr zur Anode der Brennstoffzelle, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt zum Erhöhen oder Starten der Brennstoffzufuhr zur Anode der Brennstoffzelle, nachdem die Brennstoffzufuhr zur Anode der Brennstoffzelle vermindert bzw. unterbrochen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit dem Schritt zum Unterbrechen der Oxidationsmittelzufuhr zur Kathode der Brennstoffzelle, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt zum Starten der Oxidationsmittelzufuhr zur Kathode der Brennstoffzelle, nachdem die Oxidationsmittelzufuhr zur Kathode der Brennstoffzelle unterbrochen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Starten der Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last, nachdem die Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last unterbrochen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Fortsetzen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung kleiner ist als der erste zulässige Spannungsunterschied; Messen einer zweiten mittleren Spannung der Ausgangsleistung, nachdem die Ausgangsleistung für ein zweites Zeitintervall kontinuierlich zugeführt worden ist; und Unterbrechen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der zweiten mittleren Spannung gröber ist als der zweite zulässige Spannungsunterschied, wobei der zweite zulässige Spannungsunterschied nicht größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite zulässige Spannungsunterschied kleiner ist als der erste zulässige Spannungsunterschied.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der zweite zulässige Spannungsunterschied dem ersten zulässigen Spannungsunterschied gleicht.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner mit dem erneuten Startender Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last, nachdem die Brennstoffzelle angewiesen worden ist, die Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last zu unterbrechen.
nach Anspruch 9, ferner mit den Schritten: Fortsetzen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der zweiten mittleren Spannung kleiner ist als der zweite zulässige Spannungsunterschied; Messen einer dritten mittleren Spannung der Ausgangsleistung, nachdem die Ausgangsleistung für ein drittes Zeitintervall kontinuierlich zugeführt worden ist; und Unterbrechen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last, wenn ein Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der dritten mittleren Spannung gröber ist als ein dritter zulässiger Spannungsunterschied, wobei der dritte zulässige Spannungsunterschied nicht gröber ist als der zweite zulässige Spannungsunterschied
Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit dem erneuten Starten der Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last, nachdem die Brennstoffzelle angewiesen worden ist, die Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last zu unterbrechen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle eine einzelne Brennstoffzellenmembranelektrodeneinheit ist und der erste zulässige Spannungsunterschied im Bereich von 0,011 und 0,2 Volt liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle eine Direktoxidationsbrennstoffzelle ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt zum Bereitstellen einer Batterie, wobei, wenn die Brennstoffzelle angewiesen wird, die Zufuhr der Ausgangsleistung zur Last zu unterbrechen, alternativ die Batterie zum Zuführen der Ausgangsleistung zur Last verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mittlere Anfangsspannung und die erste mittlere Spannung der Ausgangsleistung durch eine Spannungsmesseinheit gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Verwenden einer Steuereinheit und einer Spannungsmesseinheit zum Bestimmen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung der Ausgangsleistung; Berechnen eines Spannungsunterschieds zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung durch die Steuereinheit; und Unterbrechen der Zufuhr der Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zur Last durch die Steuereinheit, wenn der Spannungsunterschied zwischen der mittleren Anfangsspannung und der ersten mittleren Spannung größer ist als der erste zulässige Spannungsunterschied.