DE102011008354A1

DE102011008354A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102011008354A1
Application number: DE102011008354A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Martin ARENDT
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-07-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (10) sowie eine zur Ausführung des Verfahrens eingerichtete Brennstoffzelle (10), wobei eine von einem elektrischen Verbraucher (52) angeforderte elektrischen Leistung (Psoll) bestimmt wird, in Abhängigkeit von der angeforderten Leistung (Psoll) eine angeforderte Zellleistung (Psoll,FC) der Brennstoffzelle (10) ermittelt wird und in Abhängigkeit von der ermittelten angeforderten Zellleistung (Psoll,FC) der Brennstoffzelle (10) eine Ausgangsleistung (Paus) oder eine mit der Ausgangsleistung (Paus) korrespondierende elektrische Größe der Brennstoffzelle (10) gesteuert oder geregelt wird. Es ist vorgesehen, dass bei Vorliegen einer angeforderten Zellleistung (Psoll,FC), die größer ist als eine momentane Ausgangsleistung (Paus) der Brennstoffzelle (10) oder die im Wesentlichen gleich ist wie die momentane Ausgangsleistung (Paus), (a) die Brennstoffzelle (10) zunächst für eine vorbestimmte Dauer (Δt) so betrieben wird, dass sie eine um einen vorbestimmten Betrag (ΔP) höhere Ausgangsleistung (Paus) als die angeforderte Zellleistung (Psoll,FC) liefert, und (b) anschließend die Brennstoffzelle (10) so gesteuert oder geregelt wird, dass sie eine der angeforderten Zellleistung (Psoll,FC) entsprechende Ausgangsleistung (Paus) liefert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Niedertemperatur(NT)-PEM-Brennstoffzelle, sowie eine zur Ausführung dieses Verfahrens eingerichtete Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Gasdiffusionselektrode (Anode und Kathode) ist. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser H₂O. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten verbreitete Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einem durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von circa 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Aus WO 2006/080471 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle bekannt, bei dem bei Vorliegen einer Lastanforderung, die kleiner ist als eine Last mit hohem Wirkungsgrad, die Brennstoffzelle mit der Last mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird und die dabei produzierte überschüssige elektrische Energie in einem Energiespeicher gespeichert wird. Mit dieser Maßnahme soll der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht werden.
US 2004/0115487 A1 beschreibt eine Steuerung einer mit einer Sekundärbatterie verbundenen Brennstoffzelle. Dabei wird die Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einer von einem Verbraucher angeforderten Last mit einem stufenartigen Ausgangsleistungsprofil betrieben, wobei nach einer positiven Lastanforderung eine Verzögerungszeit abgewartet wird, bevor die Brennstoffzelle mit einer erhöhten Ausgangsleistung angesteuert wird. Die über die „Stufenhöhen” hinausgehenden Lastspitzen werden durch die Sekundärbatterie bedient.
DE 103 34 556 A1 beschreibt ein Diagnoseverfahren für einen, eine Vielzahl von Einzelzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel, um dessen Betrieb zu optimieren. Dabei werden die individuellen Zellspannungen der Einzelzellen erfasst und hieraus die mittlere Ausgangsspannung sowie die Standardabweichung ermittelt. Liegt die mittlere Ausgangsspannung in einem normalen Bereich und weicht gleichzeitig mindestens eine individuelle Zellspannung vom normalen Bereich ab, so wird auf das Vorhandensein von zu viel Wasser in der Zelle geschlossen und die Wasserstoffzufuhr erhöht. Liegt hingegen die mittlere Ausgangsspannung unterhalb des normalen Bereichs bei einer gleichzeitig normalen Standardabweichung, wird auf eine Austrocknung der Polymerelektrolytmembranen sämtlicher Zellen geschlossen und die Befeuchtung der Reaktionsgase erhöht.
DE 101 61 965 A1 befasst sich mit Brennstoffzellen, die über einen angeschlossenen Brennstoffprozessor zur bedarfsgerechten Erzeugung des Brennstoff, insbesondere Wasserstoffs, verfügen. In solchen Konzepten besteht das Problem kurzfristiger Schwankungen einer von dem Verbraucher angeforderten Leistung und der Trägheit des Brennstoffprozessors, der nicht immer schnell genug auf eine geänderte Leistungsanforderung reagieren kann. Zur Abhilfe schlägt DE 101 61 965 A1 vor, bei einem Anstieg der angeforderten Leistung die Brennstoffproduktion nicht sofort hochzufahren, sondern nach Ablauf einer Verzögerung zunächst zu überprüfen, ob die erhöhte Leistungsanforderung noch besteht. Erst wenn dies bejaht wird, wird der Brennstoffprozessor entsprechend hochgefahren. Das dadurch entstehende kurzzeitige Defizit der Leistungsbereitstellung an den Verbraucher wird durch ein angeschlossenes Energieversorgungsnetz bedient.
Trotz aller positiven Entwicklungen der PEM-Brennstoffzellen sowie ihrer Steuerung besteht weiterhin ein Bedarf, den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zu erhöhen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, insbesondere einer NT-PEM-Brennstoffzelle, vorzuschlagen, welches zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle führt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das Verfahren betrifft das Betreiben einer Brennstoffzelle, wobei eine von einem elektrischen Verbraucher angeforderte elektrische Leistung P_soll bestimmt wird und in Abhängigkeit von der angeforderten Leistung P_soll, eine angeforderte Zellleistung P_soll,FC der Brennstoffzelle ermittelt wird. In Abhängigkeit von der ermittelten angeforderten Zellleistung P_soll,FC der Brennstoffzelle wird dann eine Ausgangsleistung P_aus oder eine mit der Ausgangsleistung P_aus korrespondierende elektrische Größe der Brennstoffzelle gesteuert oder (im Wege eines geschlossenen Regelkreises) geregelt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass bei Vorliegen einer angeforderten Zellleistung P_soll,FC der Brennstoffzelle, die größer ist als eine momentane Ausgangsleistung P_aus der Brennstoffzelle oder die im Wesentlichen gleich ist wie die momentane Ausgangsleistung P_aus,

(a) zunächst die Brennstoffzelle für eine vorbestimmte Dauer Δt so betrieben wird, dass diese eine um einen vorbestimmten Betrag ΔP höhere Ausgangsleistung P_aus als die angeforderte Zellleistung P_soll,FC liefert, und
(b) anschließend die Brennstoffzelle so gesteuert oder geregelt wird, dass sie eine der angeforderten Zellleistung P_soll,FC entsprechende Ausgangsleistung P_aus liefert.

In jedem Fall erfolgt somit eine kurzzeitige Übersteuerung der Brennstoffzellenleistung, um sie anschließend in herkömmlicher Weise der angeforderten Zellleistung entsprechend zu betreiben. Hierbei wird der Umstand genutzt, dass die Brennstoffzelle aufgrund eines Hystereseeffekts nach einem positiven Leistungsgradienten bei anschließender Leistungsreduzierung auf den Ausgangszustand eine höhere Zellspannung liefert als zuvor. Da diese durch den Hystereseeffekt gewonnene Spannungsdifferenz typischerweise im Bereich von Minuten andauert, ehe sich die Zellspannung wieder auf den Gleichgewichtswert einstellt, wird ein Wirkungsgradvorteil gegenüber der herkömmlichen Steuerung erzielt, wonach die Brennstoffzelle stets im Wesentlichen der angeforderten Zellleistung P_soll,FC entsprechend gesteuert wird. Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß eine kurze positive Leistungsauslenkung, um die Brennstoffzelle gezielt aus ihrem Gleichgewichtszustand zu bringen und so den Hystereseeffekt aufzubauen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird mit dem Begriff „einer mit der Ausgangsleistung korrespondierenden elektrische Größe der Brennstoffzelle” verstanden, dass nicht die Ausgangsleistung selbst notwendigerweise die Steuer- oder Regelgröße der Steuerung darstellt, sondern auch eine korrespondierende Größe, wie der Zellstrom oder die Zellspannung, die eigentliche Steuer- oder Regelgröße sein kann. Auch wenn vorliegend diese korrespondierende elektrische Größe nicht eigens erwähnt wird, soll sie von dem Begriff „Ausgangsleistung” umfasst verstanden sein.
In dem erfindungsgemäßen Konzept sind zwei Betriebssituationen zu unterscheiden. In der ersten erfolgt eine positive Lastanforderung durch den Verbraucher, das heißt die angeforderte Zellleistung ist größer als die momentane Ausgangsleistung. In diesem Fall wird die Brennstoffzelle nicht sofort entsprechend der angeforderten Zellleistung betrieben, sondern mit einer um einen Betrag (noch) höheren Ausgangsleistung, und dann entsprechend der angeforderten Zellleistung. In der zweiten Situation liegt eine im Wesentlichen konstante Lastanforderung durch den Verbraucher vor, das heißt, die angeforderte Leistung entspricht der momentanen Ausgangsleistung (so dass im herkömmlichen Betrieb nicht in die Steuerung eingegriffen würde). In diesem Fall wird erfindungsgemäß die Brennstoffzelle kurzzeitig mit einer um einen Betrag höheren Ausgangsleistung als die momentane Ausgangsleistung betrieben und dann auf die ursprüngliche Ausgangsleistung zurückgefahren.
In den meisten Brennstoffzellenanordnungen ist die Brennstoffzelle mit einem Energiespeicher verbunden, der einerseits neben der Brennstoffzelle zur alternativen oder zusätzlichen Energieversorgung des elektrischen Verbrauchers dienen kann und andererseits durch die Brennstoffzelle geladen werden kann, wenn diese überschüssige Energie produziert, die nicht von dem Verbraucher abgenommen wird. Dementsprechend ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Energiespeicher vorgesehen, der eine während der vorbestimmten Dauer Δt der erfindungsgemäßen Leistungsübersteuerung durch die Brennstoffzelle erzeugte überschüssige elektrische Leistung speichert und somit geladen wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die vorbestimmte Dauer Δt, während der die Brennstoffzelle mit der erhöhten Ausgangsleistung in Schritt (a) betrieben wird, mindestens so bemessen, dass sich ein ausreichender Hystereseeffekt einstellt. Die Dauer Δt variiert bauartbedingt zwischen verschiedenen Brennstoffzelltypen, kann aber durch einfache Versuchsreihen empirisch bestimmt werden. Eine vorliegend bevorzugte Dauer Δt beträgt mindestens 0,1 s und höchstens 5 s, insbesondere höchstens 3 s, vorzugsweise höchstens 1 s. Ist die Dauer Δt kürzer als 0,1 s, kann der Hystereseeffekt tendenziell nicht in einem ausreichenden Maß aufgebaut werden. Ist die Dauer Δt hingegen länger als 5 s, so wird tendenziell die durch das Verfahren erzielte Wirkungsgradverbesserung in erhöhtem Maß durch den für die erhöhte Ausgangsleistung notwenigen Mehrverbrauch an Brennstoff (z. B. Wasserstoff) aufgezehrt und zudem stellt sich ein Gleichgewicht ein, das den Hystereseeffekt wieder abbaut.
Es ist weiterhin in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass der vorbestimmte Betrag ΔP, also die Differenz zwischen der höheren Ausgangsleistung P_aus und der eigentlich angeforderten Zellleistung P_soll,FC 1 bis 1000% der angeforderten Zellleistung P_soll,FC beträgt, insbesondere 5 bis 250%, vorzugsweise 10 bis 100%. In diesen Bereichen liegt ein besonders hoher Wirkungsgradgewinn des Verfahrens vor.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung wird die erfindungsgemäße Vorgehensweise, das heißt die Durchführung der Schritte (a) und (b), in regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Zeitabständen wiederholt. Insbesondere kann, sobald die durch den Hystereseeffekt gewonnene Spannungsdifferenz vollständig oder weitestgehend wieder abgebaut ist, das System also wieder im Gleichgewichtszustand vorliegt, eine erneute Leistungsauslenkung (Schritt (a)) erfolgen. Dabei kann mit Vorteil während der Ansteuerung der Brennstoffzelle derart, dass diese einer der angeforderten Zellleistung P_soll,FC entsprechende Ausgangsleistung P_aus liefert (also während Schritt (b)), mindestens eine elektrische Größe der Brennstoffzelle überwacht und in Abhängigkeit von der elektrischen Größe der Vorgang wiederholt werden. Beispielsweise kann die Zellspannung gemessen und bei einem Absenken der Zellspannung auf den Gleichgewichtswert (der einem Kennfeld entnommen werden kann) eine erneute Spannungsübersteuerung in der beschriebenen Weise durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgradvorteil maximieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer elektronischen Steuerung, die eingerichtet ist, die Brennstoffzelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.
Bei der Brennstoffzelle handelt es sich vorzugsweise um eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle, insbesondere eine Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle), da aufgrund des speziellen Wasserhaushalts in diesen Systemen ein besonders ausgeprägter Hystereseeffekt vorliegt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine, eine Vielzahl von Einzelzellen umfassende Brennstoffzelle;
2 eine schematische Schnittdarstellung einer Einzelzelle der Brennstoffzelle aus 1;
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Brennstoffzelle mit angeschlossenem Verbraucher, Energiespeicher sowie einem Steuergerät;
4 Strom-Spannungs-Kennlinien einer Brennstoffzelle bei positivem und bei negativem Leistungsgradienten;
5 Lastpunkte bei einer Steuerung einer Brennstoffzelle nach einem ersten Verfahren gemäß der Erfindung und
6 Lastpunkte bei einer Steuerung einer Brennstoffzelle nach einem zweiten Verfahren gemäß der Erfindung.
In 1 ist eine Brennstoffzelle 10 dargestellt, die eine Vielzahl in Reihe geschalteter Einzelzellen 12 umfasst, von denen eine einzelne in 2 näher dargestellt ist. Jede Einzelzelle 12 weist eine Membran-Elektroden-Einheit 14 (MEA) auf, die jeweils eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran 16 umfasst sowie zwei sandwichartig an die beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden 18, 20, nämlich eine Anode 18 und eine Kathode 20. Ferner umfassen die Einzelzellen 12 zwischen jeweils zwei MEA 14 angeordnete Bipolarplatten 22, die beidseitig den MEA-Verbund elektrisch kontaktieren und für die Zuleitung der Prozessgase sowie die Ableitung des Produktwassers sorgen. Zudem trennen sie die einzelnen MEA 14 im Brennstoffzellenstapel 10 gasdicht voneinander. Die Bipolarplatten 22 weisen eine Vielzahl von inneren Transportkanälen auf, die der Zufuhr der Reaktionsgase (im Fall der Anode Wasserstoff und im Fall der Kathode Sauerstoff bzw. Luft) und kathodenseitig ferner der Abfuhr des Produktwassers dienen. Materialien zur Abdichtung und Stabilisierung der MEA 14 sind nicht zeichnerisch dargestellt.
Die Brennstoffzelle 10 weist ferner Wasserstoffzuleitungen 24 auf, welche den Bipolarplatten 22 Wasserstoffgas zuführen. Ein inneres anodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 leitet den zugeführten Wasserstoff H₂ den Anoden 18 der Membran-Elektroden-Einheiten 14 zu, wo dieser zu Protonen H⁺ oxidiert wird. Über Wasserstoffableitungen 26, die mit einem weiteren anodenseitigen inneren Kanalsystem der Bipolarplatten 22 in Verbindung stehen, wird der unverbrauchte Restwasserstoff (und durch die Membran 16 diffundiertes Produktwasser) ab- und in den Kreislauf zurückgeführt. Ferner sind Luftzuleitungen 28 vorgesehen, mit denen Luft und damit Sauerstoff zu den Bipolarplatten 22 und von dort über ein kathodenseitiges Kanalsystem derselben den Kathoden 20 zugeleitet wird. Über ein weiteres kathodenseitiges Kanalsystem der Bipolarplatten 22 und daran angeschlossene Luftableitungen 30 erfolgt die Ableitung der restlichen Luft und des Produktwassers. Der Stapel aus den Einzelzellen 12 wird seitlich von Endplatten 32 begrenzt. Nicht dargestellt in 1 sind weitere Komponenten der Brennstoffzelle 10, beispielsweise ein Kühlsystem, Pumpen, Ventile und dergleichen.
Wie aus 2 hervorgeht, umfassen die beiden Elektroden 18, 20 jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht 34, welche die Polymerelektrolytmembran 16 beidseitig kontaktiert. Die Katalysatorschichten 34 enthalten als eigentlich reaktive Zentren der Elektroden ein katalytisches Material, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium oder um Übergangsmetalle, wie Chrom, Cobalt, Nickel, Eisen, Vanadium oder Zinn, oder Mischungen oder Legierungen von diesen. Bevorzugt liegt die katalytische Substanz auf einem porösen, elektrisch leitenden Trägermaterial fixiert vor. Im dargestellten Beispiel sind die Elektroden 18, 20 als Gasdiffusionselektroden ausgestaltet, die jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL für gas diffusion layer) 36 umfassen, die an den jeweils äußeren, von der Polymermembran 16 abgewandten Flächen der Katalysatorschichten 34 anschließen. Funktion der GDL 36 ist es, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten 34 mit den Reaktionsgasen Sauerstoff beziehungsweise Luft auf der Kathodenseite und Wasserstoff auf der Anodenseite zu gewährleisten. In alternativer Ausgestaltung können die mikroporösen Katalysatorschichten 34 statt auf der GDL 18, 20 auch direkt auf der Membranoberfläche aufgetragen sein.
Im Falle von NT-PEM-Brennstoffzellen handelt es sich beider Membran 16 beispielsweise um ein perfluoriertes Polymer, insbesondere ein sulfoniertes Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion). Derartige NT-Polymerelektrolytmembrane benötigen für den Protonentransport eine gewisse Feuchtigkeit. Das benötigte Wasser wird einerseits im Betrieb der Brennstoffzelle 10 durch das kathodenseitige gebildete Produktwasser erhalten und kann andererseits auch extern zugeführt werden, beispielsweise über eine gezielte Befeuchtung der Reaktionsgase. Dabei weisen die PEM-Brennstoffzellen ein Feuchtigkeitsoptimum auf. Werden sie zu feucht betrieben, so können Gaszuführungskanäle durch das flüssige Wasser verstopfen. Ist auf der anderen Seite die Feuchtigkeit zu gering, steht nicht genug Wasser innerhalb der Membran 16 für den Protonentransport zur Verfügung und die Brennstoffzellenleistung sinkt.
Wie in 3 dargestellt, erfolgt die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle 10 aus einem Wasserstofftank 38, wobei ein in der Wasserstoffzuleitung 24 angeordnetes Ventil 40 den Wasserstoffdruck in der Leitung 24 reguliert. Die mit einer Pumpe 26 ausgestattete Wasserstoffableitung 26 mündet in die Wasserstoffzuleitung 24, um nicht verbrauchten Wasserstoff rückzuführen. Auf der anderen Seite ist in der Luftzuleitung 28 eine Pumpe 44 zur Förderung der Luft in die Kathodenräume der Brennstoffzelle 10 angeordnet sowie in der Luftableitung ein Ventil 46 zum Einstellen eines kathodenseitigen Drucks der zugeführten Luft.
An die Brennstoffzelle 10 ist ein elektrischer Verbraucher 48 angeschlossen, beispielsweise ein Elektromotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
Ferner ist die Brennstoffzelle 10 mit einem Energiespeicher 50 verbunden, insbesondere einer Sekundärbatterie, so dass dieser durch den von der Brennstoffzelle 10 erzeugten Strom geladen werden kann. Der Energiespeicher 50 ist ebenfalls mit dem elektrischen Verbraucher 48 verbunden, so dass der Verbraucher wahlweise durch die Brennstoffzelle 10 oder durch den Energiespeicher 50 mit elektrischer Energie versorgt werden kann oder auch durch beide gleichzeitig.
Die Steuerung der Brennstoffzelle 10 sowie ihrer angeschlossenen Komponenten erfolgt durch ein elektronisches Steuergerät 52. Das Steuergerät 52 erhält über verschiedene Signalleitungen Eingangsdaten der verschiedenen Komponenten, die von geeigneten Sensoren und Messeinrichtungen (nicht zeichnerisch dargestellt) erfasst werden. Beispielsweise werden eine aktuelle Ausgangsleistung P_aus der Brennstoffzelle 10 sowie eine angeforderte Leistung P_soll des elektrischen Verbrauchers 48 vom Steuergerät eingelesen. Handelt es sich bei dem Verbraucher 48 um einen Elektromotor eines Fahrzeugs, kann beispielsweise die angeforderte Leistung P_soll über die Betätigung eines Fahrpedals durch den Fahrer mittels eines Pedalwertgebers erfasst werden. Ferner können eine Zellspannung U, ein Zellstrom I und eine Zelltemperatur der Brennstoffzelle 10 in das Motorsteuergerät 52 eingehen sowie ein Ladezustand SOC des Energiespeichers 50. In Abhängigkeit der Eingangsdaten steuert das Steuergerät 52 den Betrieb der Brennstoffzelle 10. Insbesondere ist das Steuergerät 52 eingerichtet, den Betrieb der Brennstoffzelle 10 gemäß der nachfolgend noch näher beschriebenen erfindungsgemäßen Vorgehensweise zu steuern.
4 zeigt den Verlauf von Strom-Spannungs-Kennlinien einer typischen NT-PEM-Brennstoffzelle, wobei die Kennlinie 1 den Verlauf bei einem positiven Leistungsgradienten, also bei zunehmender Ausgangleistung der Brennstoffzelle, darstellt und die Kennlinie 2 den Verlauf bei einem negativen Leistungsgradienten, also bei abnehmender Ausgangleistung. Es ist erkennbar, dass die Verläufe deutlich voneinander abweichen. Insbesondere liegt die Spannung der bei negativem Leistungsgradienten generierten Kennlinie 2 stets oberhalb der bei positivem Leistungsgradienten erhaltenen Kennlinie 1. Dieser Effekt wird als Hystereseeffekt bezeichnet und ist vermutlich auf den Wasserhaushalt der MEA zurückzuführen. Es wird angenommen, dass das kathodenseitig gebildete Produktwasser mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung nach einer Lastanforderung gebildet wird und noch weiter verzögert durch die Membran zur Anode diffundiert und sowohl Membran als auch Anode befeuchtet, wodurch sich der Protonentransport und damit die Leistung (bzw. bei konstanter Stromabnahme die Spannung) erhöht. Wird nun die Leistungsabnahme verringert, bleibt der positive Befeuchtungseffekt noch für eine gewisse Verzögerung erhalten, was zu der gegenüber der Kennlinie 1 veränderten Kennlinie 2 führt. Die auf diesem Hystereseeffekt beruhende Spannungsdifferenz hält für eine von der MEA, der Gasdiffusionslage und der Gaszufuhrgeometrie abhängige Dauer an, welche typischerweise in der Größenordnung von einigen Minuten liegt. Die vorliegende Erfindung macht nun von diesem Hystereseeffekt Gebrauch, wie nachfolgend näher dargestellt wird.
5 stellt das erfindungsgemäße Verfahren dar, wenn eine positive Lastanforderung vorliegt. Es sei angenommen, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt eine momentane Ausgangsleistung P₁ der Brennstoffzelle 10 vorliegt und gleichzeitig eine positive Lastanforderung, welche dem Punkt P₂ auf der Kennlinie 1 entspricht. Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle 10 zunächst mit einer Ausgangsleistung P₃ betrieben, die um einen vorbestimmten Betrag ΔP größer ist als die angeforderte Leistung P₂, wobei gilt P₃ = P₂ + ΔP. Diese Ausgangsleistung P₃ wird für eine vorbestimmte Dauer Δt von beispielsweise einer Sekunde gehalten. Während dieser Dauer Δt wird die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte überschüssige Energie in dem Energiespeicher 50 gespeichert. Anschließend wird die Brennstoffzelle 10 so betrieben, dass sie eine Ausgangsleistung entsprechend der angeforderten Leistung P_soll liefert. Aufgrund des Hystereseeffekts ist der angeforderte Lastpunkt P_soll aufgrund der Spannungsdifferenz nun jedoch durch eine, verglichen mit dem ursprünglichen Lastpunkt P₂ geringere Stromstärke, nämlich bei P₄, darstellbar. Hierdurch ergibt sich ein Wirkungsgradvorteil gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise, in welcher bei einer entsprechenden Lastanforderung die Brennstoffzelle 10 direkt von P₁ auf P₂ umgestellt wird. Es ist zu beachten, dass der Lastpunkt P₄ nicht auf der oberen Kennlinie 2 liegt, da diese nur dann erhalten wird, wenn die Brennstoffzelle zuvor bis zur maximalen Stromstärke hochgefahren wird.
6 stellt die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei konstanter Lastanforderung dar. In diesem Fall liegt zu einem gegebenen Zeitpunkt die Ausgangsleistung P₁ der Brennstoffzelle 10 vor, die der angeforderten Leistung P_soll entspricht. Erfindungsgemäß wird nun die Brennstoffzelle 10 mit einer erhöhten Ausgangsleistung P₂ betrieben, die um einen vorbestimmten Betrag ΔP größer ist als die angeforderte Leistung P₁ bzw. die Leistungsanforderung P_soll, wobei gilt P₂ = P₁ + ΔP. Diese Ausgangsleistung P₂ wird für eine vorbestimmte Dauer Δt von beispielsweise einer Sekunde gehalten und während dieser Dauer die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte überschüssige Energie in dem Energiespeicher 50 gespeichert. Nach Ablauf dieser Dauer Δt wird die Brennstoffzelle wieder mit ihrer ursprünglichen Ausgangleistung entsprechend der Leistungsanforderung P_soll betrieben. Aufgrund des Hystereseeffekts ist der angeforderte Lastpunkt P_soll aufgrund der Spannungsdifferenz nun jedoch durch eine, verglichen mit dem ursprünglichen Lastpunkt P₁ geringere Stromstärke, nämlich bei P₃, darstellbar. Hierdurch ergibt sich ein Wirkungsgradvorteil gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise, in welcher die Brennstoffzelle 10 konstant mit der Ausgangsleistung P₁ betrieben würde.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren im Einzelnen mit Bezugnahme auf 3 erläutert.
Zunächst liest das Steuergerät 52 die durch den elektrischen Verbraucher 48 angeforderte Leistung P_soll (Lastanforderung) und die momentane Ausgangsleistung P_aus der Brennstoffzelle 10 sowie gegebenenfalls weitere Parameter ein. Dann ermittelt das Steuergerät 52 eine durch die Brennstoffzelle 10 aufzubringende Zellleistung P_soll,FC und/oder eine durch den Energiespeicher 50 aufzubringende Leistung P_soll,ES wobei gilt P_soll = P_soll,FC + P_soll,ES. Bei der Ermittlung der Aufteilung können verschiedene Parameter berücksichtigt werden, beispielsweise der Ladezustand SOC des Energiespeichers 50, die Höhe der angeforderten Leistung P_soll unter Berücksichtigung maximaler Leistungen von Brennstoffzelle 10 und Energiespeicher 50, der momentane Lastpunkt der Brennstoffzelle 10 und dergleichen. Entsprechende Algorithmen zur Bestimmung der Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle 10 und Energiespeicher 50 sind hinreichend bekannt und bedürfen vorliegend keiner näheren Erläuterung.
Anschließend vergleicht das Steuergerät 52 die ermittelte angeforderte Zellleistung P_soll,FC mit der momentanen Zellleistung P_aus.
Ist die angeforderte Zellleistung P_soll,FC gleich wie die momentane Zellleistung P_aus, liegt also eine konstante Last vor, so führt das Steuergerät 52 den Ablauf gemäß 6 aus. Demnach wird zunächst eine Leistung P₂ vorbestimmt, die um einen vorbestimmten Betrag ΔP höher als die momentane Ausgangsleistung ist, wobei der Betrag ΔP beispielsweise einem vorbestimmten prozentualen Anteil bezogen auf P_soll,FC entsprechen kann. Aus Berechnungen und/oder entsprechenden Kennfeldern ermittelt das Steuergerät 52 die für den zur Darstellung der Leistung P₂ erforderlichen elektrochemischen Umsatz der Brennstoffzelle 10 notwendigen Massenströme der Reaktionsgase Wasserstoff und Luft bzw. die notwendigen Zelldrücke der Anoden- und Kathodenräume. Dann steuert das Steuergerät 52 das Ventil 40 und/oder die Pumpe 42 so an, dass ein gewünschter Wasserstoffstrom eingestellt wird und das Ventil 46 und die Pumpe 44 so, dass ein gewünschter Luftstrom eingestellt wird. Erst dann wird die Stromabnahme durch den Verbraucher 48 freigeschaltet und die Brennstoffzelle 10 liefert eine Ausgangsspannung bzw. einen Strom entsprechend dem Lastpunkt P₂.
Dieser Lastpunkt wird für eine vorbestimmte, kurze Dauer Δt für beispielsweise 1 s aufrechterhalten. Der in dieser Zeit erzeugte überschüssige Strom, der nicht von dem Verbraucher 48 abgenommen wird, wird in dem Energiespeicher 50 gespeichert, der somit aufgeladen wird.
Nach Ablauf der vorbestimmten Dauer Δt wird die Brennstoffzelle 10 wieder entsprechend ihrer ursprünglichen Leistung betrieben, welche jetzt dem Lastpunkt P₃ in 6 entspricht. Hierfür werden wiederum die erforderlichen Massenströme der Reaktionsgase bestimmt und die Ventile 40 und 46 und Pumpen 42 und 44 entsprechend angesteuert.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 bei P₃ wird eine elektrische Größe der Brennstoffzelle 10, beispielsweise ihre Zellspannung U, kontinuierlich überwacht. Fällt die Zellspannung infolge des Abbaus des Hystereseeffekts wieder ab, so dass sich der Lastpunkt P₃ dem Punkt P₁ wieder annähert, wird das Verfahren wiederholt und erneut nacheinander die Lastpunkte P₂ und P₃ in der beschriebenen Weise angefahren.
Wird bei der Abfrage hingegen festgestellt, dass die von dem Verbraucher 48 angeforderte Zellleistung P_soll,FC größer als die momentane Zellleistung P_aus der Brennstoffzelle 10 ist, führt das Steuergerät 52 den Ablauf gemäß 5 aus. Dabei wird zunächst ein Lastpunkt P₃ bestimmt, der P_soll,FC um einen vorbestimmten Betrag ΔP überschreitet, und anschließend werden die Massenströme und Gasdrücke der Reaktionsgase so gesteuert, dass die Brennstoffzelle 10 die Ausgangsspannung gemäß P₃ liefert. Die währenddessen erzeugte überschüssige Energie wird zur Ladung des Energiespeichers 50 genutzt. Nach Ablauf einer vorbestimmten Dauer Δt werden die Massenströme und Gasdrücke der Reaktionsgase so gesteuert, dass die Brennstoffzelle 10 eine Leistung entsprechend dem gegenüber dem Ausgangspunkt P₁ erhöhten Lastpunkt P₄ darstellt.
Wird bei der Abfrage hingegen festgestellt, dass die von dem Verbraucher 48 angeforderte Zellleistung P_soll,FC kleiner als die momentane Zellleistung P_aus der Brennstoffzelle 10 ist, führt das Steuergerät 52 eine herkömmliche Steuerung der Brennstoffzelle 10 durch, das heißt es ermittelt die zur Darstellung der angeforderten geringeren Leistung notwenigen Reaktionsgasmassenströme und Drücke und stellt diese unmittelbar ein.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
12: Einzelzelle
14: Membran-Elektroden-Einheit MEA
16: Polymerelektrolytmembran PEM
18: Elektrode/Anode
20: Elektrode/Kathode
22: Bipolarplatte
24: Wasserstoffzuleitung
26: Wasserstoffableitung
28: Luftzuleitung
30: Luftableitung
32: Endplatten
34: Katalysatorschicht
36: Gasdiffusionsschicht GDL
38: Wasserstofftank
40: Ventil
42: Pumpe
44: Pumpe
46: Ventil
48: elektrischer Verbraucher
50: Energiespeicher
52: Steuergerät
P_aus: Ausgangsleistung der Brennstoffzelle
P_soll: angeforderte Leistung des elektrischen Verbrauchers
P_soll,FC: angeforderte Zellleistung der Brennstoffzelle
P_soll,ES: angeforderte Leistung des Energiespeichers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/080471 [0004]
US 2004/0115487 A1 [0005]
DE 10334556 A1 [0006]
DE 10161965 A1 [0007, 0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (10), wobei eine von einem elektrischen Verbraucher (48) angeforderte elektrischen Leistung (P_soll) bestimmt wird, in Abhängigkeit von der angeforderten Leistung (P_soll) eine angeforderte Zellleistung (P_soll,FC) der Brennstoffzelle (10) ermittelt wird und in Abhängigkeit von der ermittelten angeforderten Zellleistung (P_soll,FC) eine Ausgangsleistung (P_aus) oder eine mit der Ausgangsleistung (P_aus) korrespondierende elektrische Größe der Brennstoffzelle (10) gesteuert oder geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer angeforderten Zellleistung (P_soll,FC), die größer ist als eine momentane Ausgangsleistung (P_aus) der Brennstoffzelle (10) oder die im Wesentlichen gleich ist wie die momentane Ausgangsleistung (P_aus), (a) die Brennstoffzelle (10) zunächst für eine vorbestimmte Dauer (Δt) so betrieben wird, dass sie eine um einen vorbestimmten Betrag (ΔP) höhere Ausgangsleistung (P_aus) als die angeforderte Zellleistung (P_soll,FC) liefert, und (b) anschließend die Brennstoffzelle (10) so gesteuert oder geregelt wird, dass sie eine der angeforderten Zellleistung (P_soll,FC) entsprechende Ausgangsleistung (P_aus) liefert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine während der vorbestimmten Dauer (Δt) durch die Brennstoffzelle (10) erzeugte überschüssige elektrische Leistung in einem Energiespeicher (50) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Dauer (Δt) mindestens 0,1 s und höchstens 5 s, insbesondere höchstens 3 s, vorzugsweise höchstens 1 s beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Betrag (ΔP) 1 bis 1000% der angeforderten Zellleistung (P_soll,FC) beträgt, insbesondere 5 bis 250%, vorzugsweise 10 bis 100%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Brennstoffzelle (10) gemäß Schritt (a) und (b) in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ansteuerung der Brennstoffzelle (10) gemäß Schritt (b) so, dass diese einer der angeforderten Zellleistung (P_soll,FC) entsprechende Ausgangsleistung (P_aus) liefert, mindestens eine elektrische Größe der Brennstoffzelle (10) überwacht wird und in Abhängigkeit von der elektrischen Größe der Vorgang wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktionsgaszufuhr der Brennstoffzelle (10) zur Steuerung und/oder Regelung einer gewünschten Ausgangsleistung (P_aus) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (48) ein Elektromotor eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Brennstoffzelle (10) eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist, insbesondere eine Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle.
Brennstoffzelle (10) mit einer elektronischen Steuerung (38), dadurch gekennzeichnet, das die elektronische Steuerung (52) eingerichtet ist, die Brennstoffzelle (10) nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zu betreiben.