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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zur Detektion eines Fehlers einer Membran in einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein System und Verfahren zur Detektion eines Fehlers einer Membran in einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel, das umfasst, dass ein absoluter Deltaspannungswert berechnet wird, der ein Durchschnitt der Differenz zwischen einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung an mehreren Abtastpunkten ist, der in Bezug auf geringe Stapelstromdichte gefiltert ist.
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2. Diskussion der verwandten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein 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 Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen 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.
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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 aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs können durch andere Techniken hergestellt werden, wie katalysatorbeschichtetes Diffusionsmedium (CCDM) und Prozesse mit physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor 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 Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Wenn ein Brennstoffzellenstapel altert, verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zellen in dem Stapel aufgrund verschiedener Faktoren unterschiedlich. Es existieren verschiedene Ursachen für schlecht arbeitende Zellen, wie Zellenflutung, Verlust an Katalysator, etc., einige temporär und einige permanent, wobei einige Wartung erfordern und einige einen Austausch des Stapels oder der Brennstoffzelle erfordern, um diese schlecht arbeitenden Zellen zu wechseln. Obwohl die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, nimmt die Spannung jeder Zelle, wenn eine Last über den Stapel geschaltet ist, unterschiedlich ab, wobei diejenigen Zellen, die schlecht arbeitende Zellen sind, geringere Spannungen besitzen. Somit ist es notwendig, die Zellenspannungen der Brennstoffzellen in dem Stapel zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Spannungen der Zellen nicht unter eine vorbestimmte Schwellenspannung fallen, um eine Polaritätsumkehr der Zellenspannung zu verhindern, die möglicherweise einen dauerhaften Schaden an der Zelle bewirkt.
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Ein Typ von Brennstoffzellendegradation ist als Zellenmembranfehler bekannt, der einen Zellenspannungsverlust bei geringen Stapelstromdichten bewirkt. Ein Membranfehler ist typischerweise das Ergebnis vieler Faktoren. Eine ineffektive Trennung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels kann zu einem beschleunigten Fehler der Membranen und der MEAs führen. Der Membranfehler zeigt sich auch selbst durch einen höheren Spannungsverlust bei geringen Stapelstromdichten. Einer der Gründe für den Fehler einer Membran ist mechanische Beanspruchung, die durch den dynamischen Betrieb und die dynamische Änderung der Betriebsbedingungen bewirkt wird und insbesondere als Ergebnis der konstanten Änderung der Temperatur und Feuchte einen Fehler der Membran bewirken kann. Ein anderer Grund, der einen Fehler der Membran bewirken kann, ist die chemische Beanspruchung, die in der arbeitenden Brennstoffzelle auftreten kann. Ein Membranfehler kann auch das Ergebnis anderer Faktoren sein, wie mechanischer oder Müdigkeitsfehler, Kurzschluss, etc.
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Der Zellenmembranfehler hat seine Ursache typischerweise in einem oder beiden von zwei Faktoren. Einer der Faktoren umfasst einen Reaktandengasübertritt durch die Membran in einer Brennstoffzelle, der infolge von Stiftlöchern und anderen Öffnungen in der Membran auftritt und einen Spannungsverlust der Brennstoffzelle bewirkt. Stiftlöcher treten mit der Zeit in Ansprechen auf die elektrische Umgebung in der Brennstoffzelle infolge ihres Betriebs auf. Ein Reaktandengasübertritt kann von der Kathode zu der Anode oder der Anode zu der Kathode abhängig von den relativen Drücken und Partialdrücken dazwischen auftreten, die dieselben Fehlerkonsequenzen besitzen. Wenn die Größe der Stiftlöcher zunimmt und die Gasmenge, die die Membran durchquert, zunimmt, findet schließlich ein Zellenfehler statt. Ferner kann bei hohen Lasten, wenn eine signifikante Leistung von dem Brennstoffzellenstapel entnommen wird, eine schlecht arbeitende Zelle, die infolge eines Übertritts vorkommt, in einem Stapelschnellstopp resultieren.
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Das andere Ergebnis eines Zellenmembranfehlers tritt als Ergebnis eines Zellenkurzschlusses auf, bei dem die Kathoden- und Anodenelektroden in direkten elektrischen Kontakt miteinander infolge einiger unerwünschter Bedingungen kommen.
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Andere Typen von Brennstoffzellendegradationen werden allgemein als Elektrodenfehler bezeichnet, die ebenfalls einen Zellenspannungsverlust bewirken und typischerweise über alle Stapelstromdichten oder zumindest bei hohen Stapelstromdichten auftreten. Brennstoffzellenelektrodenfehler sind typischerweise das Ergebnis einer Strömungskanalflutung und einer allgemeinen Zellendegradation, einem Verlust an Katalysatoraktivität, einer Katalysatorträgerkorrosion, eines Verlustes an Elektrodenporosität, etc. über die Zeit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Fehlers einer Membran in einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das Verfahren umfasst, dass die Spannung jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird, eine durchschnittliche Zellenspannung von allen Zellenspannungen der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel berechnet wird und eine minimale Zellenspannung von allen Zellenspannungen der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel festgestellt wird. Das Verfahren bestimmt dann einen absoluten Deltaspannungswert als die Differenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung der Brennstoffzellen und der minimalen Zellenspannung der Brennstoffzellen an einer Mehrzahl von Abtastpunkten während der Abtastperiode, die hinsichtlich geringer Stapelstromdichte gefiltert ist. Eine Mehrzahl absoluter Deltaspannungswerte, die über eine Mehrzahl von Abtastperioden bestimmt und hinsichtlich geringer Stromdichten gefiltert sind, wird dazu verwendet, um zu bestimmen, ob ein Membranfehler vorhanden ist, und durch Filterung bezüglich hoher Stromdichten zu bestimmen, ob ein Elektrodenfehler vorliegt.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGN
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1 ist ein vereinfachtes Blockschaubild eines Brennstoffzellenstapels; und
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2 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen, einer absoluten Deltaspannung (durchschnittliche minimale Zellenspannung) bei geringer Stromdichte an der linken vertikalen Achse, einer Wasserstoffübernahmezeit an der linken vertikalen Achse und einer Übertrittsleckrate an der rechten vertikalen Achse.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zur Feststellung eines Fehlers einer Membran in einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel durch Berechnen eines absoluten Deltaspannungswertes als einem Durchschnitt der Differenz zwischen einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung für eine Mehrzahl von Abtastpunkten bei geringer Stapelstromdichte gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellenstapels 10, der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 12 aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist auch einen positiven Anschluss 14 und einen negativen Anschluss 16 auf, die elektrisch mit dem Brennstoffzellen 12 gekoppelt sind. Eine Systemlast 18 ist elektrisch mit den Anschlüssen 14 und 16 gekoppelt. Eine Spannungsüberwachungsschaltung 20 ist elektrisch mit den Brennstoffzellen 12 gekoppelt, die die Spannung jeder der Brennstoffzellen 12 misst und überwacht. Wie nachfolgend detailliert diskutiert ist, misst die Brennstoffzellenüberwachungsschaltung 20 die Spannung der Brennstoffzellen 12 und berechnet absolute Deltaspannungswerte abs deltaULCD, die einen Durchschnitt der Differenz zwischen einer durchschnittlichen Zellenspannung Uavg und einer minimalen Zellenspannung Umin an einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Abtastpunkte während einer Abtastperiode darstellen.
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Gemäß der Erfindung wird der absolute Deltaspannungswert abs deltaULCD als ein Durchschnitt der Differenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung Uavg und der minimalen Zellenspannung Umin bei verschiedenen Abtastpunkten während einer vorbestimmten Zeitperiode, beispielsweise einer Stunde, berechnet. Somit wird an jedem Abtastpunkt die durchschnittliche Zellenspannung Uavg aus allen Zellenspannungen berechnet, eine minimale Zellenspannung Umin wird festgestellt, und die minimale Zellenspannung Umin wird von der durchschnittlichen Zellenspannung Uavg subtrahiert. Ein Durchschnitt von allen subtrahierten Werten liefert den absoluten Deltaspannungswert abs deltaULCD über die Abtastperiode. Diese Berechnung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. abs deltaULCD = avg(Uavg – Umin)
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Wie oben diskutiert ist, kann ein Membranfehler nur unter Verwendung der Zellenspannung bei geringen Stapelstromdichten bestimmt werden. Somit wird der absolute Deltaspannungswert abs deltaULCD nur berechnet und/oder wird nur verwendet, um einen Membranfehler zu bestimmen, wenn die Stapelstromdichte unterhalb eines gewissen vorbestimmten Wertes liegt, wie 0,05 A/cm2. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Technik zur Bestimmung eines Membranfehlers, d. h. signifikante Membranstiftlöcher oder Zellenkurzschluss, durch Berechnung des absoluten Deltaspannungswertes abs deltaULCD für jede Abtastperiode vor, wenn die Stapelstromdichte unterhalb eines gewissen vorbestimmten minimalen Wertes liegt, der über verschiedene Abtastperioden über die Zeit analysiert wird.
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2 ist ein Diagramm mit der Laufzeit an der horizontalen Achse, der absoluten Deltaspannung bei geringer Stromdichte (LCD) für Diagrammlinie 30 an der linken vertikalen Achse, der Wasserstoffübernahmezeit für die Diagrammlinie 32 an der linken vertikalen Achse und der Übertrittsleckrate an de rechten vertikalen Achse. Das minimale Zellen-LCD-Delta ist eine Darstellung des absoluten Deltaspannungswertes abs deltaULCD, der zum Gebrauch nur bei geringer Stapelstromdichte gefiltert worden ist. Dem Fachmann sei zu verstehen, dass eine Wasserstoffübernahme ein bekannter Testprozess ist, bei dem ein Brennstoffzellenstapel hinsichtlich Membranfehler entweder aufgrund einer Übertrittsleckage oder eines elektrischen Kurzschlusses getestet werden kann. Bei diesem Test wird die Anodenseite des Stapels mit Wasserstoffgas und die Kathodenseite mit Luftdruck beaufschlagt, so dass der Anodendruck höher als der Kathodendruck ist. Durch Überwachung der Leerlaufspannung jeder einzelnen Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel über die Zeit kann man einen Membranfehler aufgrund eines Übertritts oder Kurzschlusses bestimmen. Die Steigung der Abnahme der Leerlaufspannung über die Zeit korreliert direkt mit der Übertrittsleckrate.
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Ein anderer bekannter Testprozess zur Detektion einer Übertrittsleckage ist der physikalische Übertrittstest. Bei diesem Test wird nur eine Seite des Stapels mit einem Inertgas (beispielsweise Stickstoff) druckbeaufschlagt, so dass der Leckgasdurchfluss durch Messen auf der anderen Seite des Stapels bestimmt werden kann. Diese Leckagerate repräsentiert, wie viel Gas die Membranen in dem Stapel typischerweise durch Stiftlöcher durchquert. Jedoch erfordert der Wasserstoffübernahmetest, wie auch der physikalische Übertrittstest, dass ein Brennstoffzellenstapel von dem Fahrzeug entfernt und an einer geeigneten Testausstattung angeordnet werden muss, wodurch offensichtliche Nachteile entstehen.
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Das Schaubild in 2 zeigt, dass der absolute Deltaspannungswert abs deltaULCD eine genaue Bestimmung der Übertrittsleckage durch die Membran im Vergleich zu dem Wasserstoffübernahmetest bereitstellt. Daher zeigt anstelle der periodischen Ausführung des Wasserstoffübernahmetests die Information, die durch Berechnungen des absoluten Deltaspannungswertes empfangen wird, wann der absolute Deltaspannungswert abs deltaULCD sich der Diagrammlinie 34 annähert, wobei vor einem solchen Auftreten kein Wasserstoffübernahmetest durchgeführt werden muss.
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Die Linie 34 ist eine Wasserstoffübernahmefehlerlinie, bei der ein Wasserstoffübernahmefehler des Übernahmetests stattfindet, und Linie 36 ist eine Übertrittsfehlerlinie, bei der Zellentests angeben, dass ein Membranfehler infolge eines Reaktandengasübertritts stattfindet. Diese Schwellen werden empirisch bestimmt und zeigen, dass Brennstoffzellenstapel, die diese Schwellen überschreiten, aufgrund einer zu hohen Übertrittsleckage ausgetauscht und repariert werden müssen. Die Diagrammlinie 30 zeigt die Abtastpunkte des absoluten Deltaspannungswertes abs deltaULCD für jede Abtastperiode, wenn die Stapelstromdichte unterhalb des vorbestimmten minimalen Wertes liegt. Wenn die Zeit vergeht, beginnt der absolute Deltaspannungswert abs deltaULCD an einem gewissen Punkt zu steigen, der angibt, dass ein Beginn eines Übertritts stattfindet. Es ist offensichtlich, dass sich die Diagrammlinie 30 der Wasserstoffübernahmefehlerkriteriumlinie 34 annähert und somit verwendet werden kann, um anzugeben, wann ein Zellenfehler zur Wasserstoffübernahme auftritt. Daher kann durch Auftragen und Analysieren der absoluten Deltaspannungswerte abs deltaULCD bestimmt werden, wann ein Membranfehler ein Problem werden kann. Wenn sich die absoluten Deltaspannungswerte abs deltaULCD einer gewissen vorbestimmten Schwelle über aufeinanderfolgende Abtastperioden annähern, kann man dann bestimmen, wann ein Stapelfehler auftreten kann, bevor dieser auftritt.
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Durch Betrachtung des absoluten Deltaspannungswertes abs deltaULCD, der so gefiltert ist, dass er unter der minimalen Stromdichte liegt, wie 0,05 A/cm2, kann bestimmt werden, wo infolge einer Übertrittsleckage oder eines Zellenkurzschlusses ein Membranfehler möglicherweise vorkommt. Der Wert des absoluten Deltaspannungswertes abs deltaULCD, der nicht für die Situation mit niedriger Stromdichte gefiltert ist, kann für höhere Stapelstromdichten betrachtet werden, um andere Zellenprobleme anzugeben, wie eine Zellenspannungsdegradation oder eine Strömungskanalflutung. Somit ist es möglich, den absoluten Deltaspannungswert für ein Band mit geringer Stromdichte, beispielsweise unter 0,05 A/cm2, und ein Band mit hoher Stromdichte, wie größer als 0,6 A/cm2, zu verwenden, um zwischen Membranfehlern und Elektrodenfehlern zu unterscheiden. Wenn genauer bestimmt wird, dass der absolute Deltaspannungswert abs deltaULCD für den Filter mit geringer Stromdichte größer als eine Schwelle ist, jedoch nicht über einer Schwelle für den Filter mit hoher Stapelstromdichte liegt, kann bestimmt werden, dass der Fehler ein Ergebnis eines Membranfehlers aufgrund von Übertrittsleckage oder Zellenkurzschluss ist. Wenn jedoch der absolute Deltaspannungswert zeigt, dass die Schwelle für sowohl den Filter für hohe Stromdichte als auch den Filter für geringe Stromdichte überschritten worden ist, dann kann er als ein Elektrodenfehler festgestellt werden.
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Um den Einfluss des dynamischen Betriebs zu reduzieren, was auch zu einer temporär hohen Spannungsdifferenz führen kann, werden alle Spannungsdifferenzen über eine vernünftige Zeitperiode gemittelt. Wie diskutiert ist, ist der größte Teil der Information durch Filtern für zwei Stromdichtebänder verfügbar. Diese Korrelation gilt ungeachtet der temporären Betriebszustandsänderungen des Stapels.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
