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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Feststellen einer schlecht arbeitenden Zelle in einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der
DE 10 2009 007 167 A1 bekannt.
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Ferner beschreibt die
DE 103 42 146 A1 ein Verfahren zur Überwachung einer Brennstoffzelleneinheit, wobei an den Ausgängen der Brennstoffzelleneinheit wenigstens ein Messwertepaar, bestehend aus einem Strom- und einem Spannungsmesswert ermittelt wird, der Spannungsmesswert mit einem Grenzwert verglichen wird, welcher von dem Strommesswert über eine Grenzpolarisationskennlinie abhängig ist, und wobei auf einen nicht ordnungsgemäßen Zustand der Brennstoffzelleneinheit geschlossen wird, wenn der Spannungsmesswert oder eine Funktion Spannungsmesswertes kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist. Hierbei wird im Rahmen des Vergleichs des Spannungsmesswerts mit dem Grenzwert eine Normierung durchgeführt.
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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 sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel durch serielle Kopplung 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 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 arbeiten, 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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Eine Überwachung der Spannung der Brennstoffzellen, um sicherzustellen, dass die Spannung der minimal arbeitenden Zellen nicht unter eine vorbestimmte Schwelle fällt, erfordert, dass die Stromentnahme von der Zelle eine vorbestimmte Grenze nicht überschreitet. In der Technik sind verschiedene Techniken zur Überwachung der Zellenspannung bekannt, und es können Verbesserungen gemacht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zum Bestimmen einer schlecht arbeitenden Zelle in einem Brennstoffzellenstapel offenbart. Das Verfahren misst die Spannung jeder Zelle in dem Brennstoffzellenstapel und berechnet eine durchschnittliche Zellenspannung von allen Zellenspannungen von dem Brennstoffzellenstapel bei einer Mehrzahl von Stapelstromdichten. Das Verfahren stellt auch eine minimale Zellenspannung aus allen Zellenspannungen von dem Brennstoffzellenstapel bei der Mehrzahl von Stapelstromdichten, bei denen die durchschnittlichen Zellenspannungen berechnet werden, fest, und bestimmt eine Beziehung einer relativen Deltaspannung zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung bei jeder der Mehrzahl von Stapelstromdichten. Die Beziehungen der relativen Deltaspannung werden dazu verwendet, um zu bestimmen, ob die minimale Zellenspannung ein beständiges Stapelproblem angibt. 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 ZEICHNUNGEN
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1 ist ein vereinfachtes Blockschaubild eines Brennstoffzellenstapels;
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2 ist ein Diagramm mit dem Strom an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse, das Polarisierungskurven für eine durchschnittliche Zellenspannung und eine minimale Zellenspannung zeigt;
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3 ist ein Diagramm mit dem Strom an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse, das Rohdatenpunkte für eine Abtastperiode für eine Stapelpolarisierungskurve zeigt;
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4 ist ein Diagramm mit einer Anzahl von Datenpunkten an der horizontalen Achse und einer relativen Deltaspannung an der vertikalen Achse, das eine durchschnittliche Spannung für die Rohabtastpunkte, die in 3 gezeigt sind, zeigt; und
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5 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse und der relativen Deltaspannung an der vertikalen Achse, das die relative Deltaspannung für mehrere Abtastperioden zeigt, um einen Trend einer schlecht arbeitenden Zelle festzustellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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 den 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 und überwacht die Spannung von jeder der Brennstoffzellen 12. Wie nachfolgend detailliert diskutiert ist, überwacht die Brennstoffzellenüberwachungsschaltung 20 die Spannung der Brennstoffzellen 12, um die durchschnittliche Zellenspannung zu bestimmen und die minimal arbeitende Zelle festzustellen.
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2 ist ein Diagramm mit dem Stapelstrom an der horizontalen Achse und der Stapelspannung an der vertikalen Achse, das typische Polarisierungskurven für den Brennstoffzellenstapel 10 zeigt. Das Diagramm zeigt eine Polarisierungskurve 30 für die durchschnittliche Spannung der Brennstoffzellen 12 über den Stapelstromdichte-Betriebsbereich, eine Polarisierungskurve 32 für die Zelle mit der minimalen Spannung nach einer Stunde eines Stapellebensdauerbetriebes über den Stapelstromdichte-Betriebsbereich und eine Polarisierungskurve 34 für die Zelle mit der minimalen Spannung, nachdem ein signifikanter Anteil der Stapellebensdauer stattgefunden hat, über den Stapelstromdichte-Betriebsbereich. Wie es offensichtlich ist, ist der Zentralabschnitt der Polarisierungskurven 30, 32 und 34 relativ linear, was auch als ohmsches Polarisierungsgebiet bekannt ist. Jedoch unterscheidet sich die Steigung des linearen Abschnittes für die durchschnittliche Zellenspannung und die minimale Zellenspannung. Insbesondere beträgt die Differenz zwischen den Spannungen der Polarisierungskurven 30 und 32 für geringe Stromdichten etwa 20 mV und die Differenz zwischen den Spannungen der Polarisierungskurven 30 und 32 für höhere Stromdichten beträgt etwa 30 mV, wodurch den minimalen Zellenspannungen eine höhere negative Steigung gegeben wird.
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Gemäß der Erfindung wird ein Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U unter Verwendung der durchschnittlichen Zellenspannungen und der minimalen Zellenspannungen bei verschiedenen Abtaststellen entlang der Polarisierungskurven berechnet. Der Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U kann dann mit einer vorbestimmten Schwelle verglichen werden, um zu bestimmen, ob die minimale Zellenspannung zu gering ist. Der Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U wird berechnet als:
wobei U
avg die durchschnittliche Spannung der Brennstoffzellen
12 ist, U
min die minimale Spannung der Brennstoffzellen
12 ist und 1000 ein Skalierfaktor ist, der zur Berechnung nicht wesentlich ist, sondern dazu verwendet wird, ganze Zahlen zu erhalten und Dezimalstellen zu verhindern, um die Visualisierung und den Gebrauch der Werte von rel. delta U zu vereinfachen.
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Die vorliegende Erfindung berechnet den Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U für eine Mehrzahl von Abtastpunkten zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung während der Lebensdauer des Stapels 10, um die minimale Zellenspannung zu überwachen und zu bestimmen, wann die minimale Zellenspannung eine Stapelleistungsfähigkeit beeinträchtigt. Da jede Spannungsdifferenz zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung mit der durchschnittlichen Zellenspannung multipliziert, d. h. mit dieser in Verbindung gebracht wird, ist sie unabhängig von dem gegenwärtigen Stapelleistungsniveau und besitzt einen höheren Einfluss, je höher die Spannung ist. Somit existiert ein Unterschied bei geringem Strom/hohen Spannungen, als bei hohem Strom/geringen Spannungen. Daher können sogar geringe Spannungsdifferenzen zwischen der durchschnittlichen Zellenspannung und der minimalen Zellenspannung einen hohen Einfluss aufgrund der Gewichtung mit der durchschnittlichen Zellenspannung besitzen.
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Diese Gewichtung wird durchgeführt, da die minimale Spannung gewöhnlich einen höheren ohmschen Verlust, d. h. eine höhere negative Steigung in dem Zentralabschnitt der Polarisierungskurve, besitzt, als die durchschnittliche Zellenspannung, sodass die Spannungsdifferenz höher wird, je geringer die Spannung ist und daher je höher die Stromdichte ist. Somit verschiebt die Beziehung das Gewicht einer Spannungsdifferenz zu geringeren Stromdichten. Aufgrund der Unabhängigkeit von der Stromdichte besteht kein Bedarf nach einer gut gesteuerten Brennstoffzellenstapel-Prüfplattform, die die Stromdichte konstant hält, sodass die vorliegende Erfindung eine Detektion einer permanenten Einzelzellenspannungsdegradation sogar bei dynamisch betriebenen Systemen, wie Flottenfahrzeugen, ermöglicht. Durch Definition einer maximal zulässigen rel. delta U und spezifischen Alarmschwellen kann man die vorliegende Erfindung für eine frühe Detektion einer minimalen Zellenspannungsdegradation verwenden.
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Die obige Diskussion kann durch die Werte in 2 gezeigt werden. Es sei angemerkt, dass die in 2 gezeigten Werte keine echten Daten, sondern künstliche Werte sind, um die Grundidee der rel. delta U zu veranschaulichen. Für die Polarisierungskurven 30 und 32 ergibt die Berechnung des Wertes der relativen Deltaspannung rel. delta U zwischen den Punkten 36 und 38 20·850/1000 = 17, und die Berechnung des Wertes der relativen Deltaspannung rel. delta U zwischen den Punkten 40 und 42 ergibt 30·700/1000 = 21. Für die Polarisierungskurven 30 und 34 beträgt der Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U zwischen den Punkten 36 und 44 30·850/1000 = 25,5, was eine Differenz zwischen 17 und 25,5 von 8,5 bereitstellt. Der Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U zwischen den Punkten 40 und 46 beträgt 40·700/1000 = 28, was eine Differenz zwischen den Linien 32 und 34 von 7 bereitstellt. Dieses Beispiel zeigt, dass ein Leistungsverlust von 10 mV über die Zeit der minimalen Zellenspannung über den gesamten Stromdichtebereich in einer höheren Zunahme von rel. delta U bei höheren Spannungen im Vergleich zu der Zunahme bei geringeren Spannungen resultiert. Somit wird das Gewicht einer Spannungsdifferenz zu geringeren Stromdichten aufgrund der Beziehung zu der durchschnittlichen Zellenspannung verschoben.
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3 ist ein Diagramm mit dem Strom an der horizontalen Achse und der Spannung an der vertikalen Achse, das beispielhafte Datenpunkte 54 zeigt, die dazu verwendet werden können, die Polarisierungskurve 50 für die durchschnittliche Zellenspannung zu berechnen, und beispielhafte Datenpunkte 56 zeigt, die dazu verwendet werden können, die Polarisierungskurve 52 für die minimale Zellenspannung zu berechnen. Die Datenpunkte 54 und 56 sind Daten für eine Rohdatendatei über eine vorbestimmte Zeitdauer. Aus den Datenpunkten 54 und 56 wird klar, dass die Steigung der Polarisierungskurven 50 und 52 nicht gleich ist. Somit werden, wie oben diskutiert ist, die Werte der relativen Deltaspannung rel. delta U bei geringeren Stapelstromdichten geringer, als die Werte der relativen Deltaspannung rel. delta U bei höheren Stapelstromdichten.
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4 ist ein Diagramm mit einer Rohdatendatei-Abtastnummer n an der horizontalen Achse und rel. delta U an der vertikalen Achse, das Datenpunkte 60 für alle Werte der relativen Deltaspannung rel. delta U zeigt, die aus den Abtastpunkten 54 und 56 in 3 berechnet sind. Die Linie 62 repräsentiert den Durchschnitt der Werte der relativen Deltaspannung rel. delta U für die Datenpunkte 60, wobei die Datenpunkte 60 in einer Rohdatendatei oder innerhalb eines bestimmten und häufigen Zeitrahmens gesammelt werden. Eine Mittelung reduziert die Anzahl von Datenpunkten ohne Verringerung der Information über die minimale Zellenspannungsleistungsfähigkeit. Der Punkt 64 repräsentiert den Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U für die Linie mit geringer Stapelstromdichte zwischen den Kurven 50 und 52 in 3, der Punkt 66 repräsentiert den Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U für die Linie mit hoher Stapelstromdichte zwischen den Polarisierungskurven 50 und 52 in 3 und der Punkt 68 repräsentiert den Wert der relativen Deltaspannung rel. delta U für die Linie mit mittlerer Stapelstromdichte zwischen den Polarisierungskurven 50 und 52 in 3.
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5 ist ein Diagramm mit der Zeit an der horizontalen Achse und dem Wert der durchschnittlichen relativen Deltaspannung rel. delta U für jede separate Rohdatendatei, wobei jeder Abtastpunkt 70 ein Durchschnitt ist, der aus den Werten der relativen Deltaspannung rel. delta U von 4 genommen ist. Daher wird für jede Gruppe von Datenpunkten, die von jeder Datendatei verfügbar sind, ein Punkt in dem Diagramm in 5 angeordnet, und es wird eine Trendlinie 72 beobachtet. Somit kann der Trend der schlecht arbeitenden Zelle über die Zeit beobachtet werden, und es kann eine Berechnung durchgeführt werden, wann diese Zelle Aufmerksamkeit erfordert. Die Trendlinie 72 wird durch eine mathematische Polynombeziehung 5. Grades repräsentiert.
