DE102011013630A1 - Adaptive Belastung einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel offenbart, der mehrere Brennstoffzellen aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel umfasst: eine externe elektrische Schaltung, die zum Steuern von elektrischem Strom von dem Brennstoffzellenstapel ausgelegt ist, einen Sensor zum Messen mindestens einer den Brennstoffzellenstapel beeinflussenden Umgebungsbedingung und einer Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels, wobei der Sensor ein Sensorsignal erzeugt, das eine Messung des Sensors darstellt; und einen Prozessor zum Empfangen des Sensorsignals, zum Analysieren des Sensorsignals und zum Steuern einer an der externen elektrischen Schaltung angelegten adaptiven Last beruhend auf der Analyse des Sensorsignals.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme. Insbesondere ist die Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Verringern von Zeiträumen hohen Elektrodenpotentials gerichtet, um die Brennstoffzelle vor schädigenden elektrischen Strömen zu schützen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und unweltverantwortliche Energiequelle für Elektrofahrzeug und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere wurde die Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle als mögliche Alternative für einen in modernen Fahrzeugen verwenden herkömmlichen Verbrennungsmotor ausgemacht.
  • Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und Anode umfassen einen fein verteilten Katalysator, wie etwa Platin, das auf Kohlenstoffpartikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode sandwichartig eingeschlossen, um eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) zu bilden. Die MEA ist häufig zwischen poröse Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Luftsauerstoff, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion erleichtern. Platten an jeder Seite der DM und MEA sehen Reaktanden- und Kühlmittelstrom vor, was kollektiv eine Brennstoffzelle erzeugt. Einzelne Brennstoffzellen sehen ein relativ geringes elektrisches Gleichstrompotential vor, können aber seriell aufgestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der ein elektrisches Sollpotential liefert. Der Brennstoffzellenstapel kann somit einen Betrag elektrischen Stroms erzeugen, der ausreicht, um ein Fahrzeug anzutreiben oder andere Anwendungen anzutreiben.
  • Während eines typischen Betriebs des Brennstoffzellenstapels tritt Wasserstoff von einem Ende des Brennstoffzellenstapels zum anderen in die einzelnen Brennstoffzellen ein und durchströmt diese. Die Enden des Brennstoffzellenstapels werden häufig als die nassen und trockenen Enden bezeichnet, wobei der Wasserstoff allgemein von dem nassen Ende zu dem trockenen Ende strömt. Während Nichtbetriebszeiträumen sammelt sich in den Anodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels eine Luftmenge. Bei Start des Brennstoffzellenstapels wird den Anodenströmungsfeldern Wasserstoff zugeführt. Der zugeführte Wasserstoff erzeugt eine ”Wasserstoff-Luft-Front”, die lokal das Bezugswasserstoffelektroden-Potential (kurz RHE-Potential, vom engl. Reference Hydrogen Electrode) an Abschnitten der Kathode anhebt, die den luftgefüllten Abschnitten der Anode gegenüberliegen. Ein hohes RHE-Potential an der Kathodenelektrode kann die Kathodenelektrode schnell korrodieren lassen und verschlechtert bekanntermaßen die Brennstoffzellenleistung.
  • Wichtig ist, dass während des Starts einer Brennstoffzelle bei hoher elektrischer Lastforderung die nicht gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff an den Anoden des Brennstoffzellenstapels zu einem als ”Zellenumkehr” bekannten Phänomen führen kann. Zellenumkehr tritt auf, wenn an dem Brennstoffzellenstapel eine Last angelegt wird und wenn mindestens einer Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel ausreichend Wasserstoff fehlt, um einen von den anderen Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel, denen ausreichend Wasserstoff zugeführt wurde, erzeugten elektrischen Strom zu unterhalten. Die anderen Zellen in dem Stapel bewirken ein lokal höheres elektrisches Potential als an dem Abschnitt der Anode, de, dem ausreichend Wasserstoff fehlt, was zu einer Oxidation der Kohlenstoffunterstützung in diesem Bereich der Anode der umgekehrten Zelle führt, was eine schnelle Spannungsdegradation der Brennstoffzelle bewirken kann, was die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels wesentlich verringern kann. Insbesondere kommt es zu einer Korrosion des Kohlenstoffträgers der Anodenelektrode der unterversorgten Zelle, wobei CO und CO2 gebildet werden.
  • Da während des Starts der Zelle ein gewisses Maß an Wasserstofffüllung selbst bei einer blockierten oder strömungseingeschränkten Zelle aufgrund von Kompression von Gas geboten wird, kann ein Mindestladungswert abgegriffen werden, bevor es zu Zellenumkehr kommen kann. Dadurch kann von der Zelle ein Mindestladungsbetrag abgegriffen werden, ohne dass Zellenspannungsrückkopplung erforderlich ist. Feste Widerstandslasten entsprechen aber unter Umständen nicht dem Mindestladungsabgriff.
  • Um Kohlenstoffkorrosion während Start abzuschwächen, nutzen bekannte Systeme während Start eine Schaltung niedriger Impedanz an den Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels. Bei solchen Systemen wird zum Beispiel eine Schaltung mit einem niederimpedanten Kurzschlusswiderstand genutzt, um das örtlich begrenzte Kathodenelektrodenpotential der Zellen in dem Brennstoffzellenstapel zu minimieren. Je niedriger der Widerstand ist, desto niedriger ist das an der Kathodenelektrode beobachtete Potential, wodurch die Rate der Kohlenstoffkorrosion an der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels verringert wird. Bei dem niederimpedanten Schaltungssystem muss zum ordnungsgemäßen Arbeiten aber jede Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel für die Dauer des Vollkurzschlusses im Wesentlichen gleiche Wasserstoffmengen haben, um örtlich begrenzte Anodenunterversorgung in Zellen mit Wasserstoffmangel zu vermeiden. Ferner erfordert eine niederimpedante Schaltung typischerweise teuere Komponenten mit hoher Strombelastbarkeit oder erfordert ansonsten einen Mechanismus, um die Wasserstoff-Luft-Front zu verlangsamen. Die niederimpedante Schaltung muss auch auf jede Zelle abgestimmt werden, insbesondere bezüglich katalytischer Fläche und Gesamtkapazität der Zelle.
  • Zum Hemmen von Stapelspannung während Start wurde auch eine feste ohmsche Last verwendet. Die feste ohmsche Last erfordert aber das Hinzufügen von elektrischen Komponenten, um die feste ohmsche Last einzuschalten. Ferner erhöht die ohmsche Last selbst die Kosten und Komplexität des Systems, was Bedenken bezüglich Zuverlässigkeit erzeugt. Eine feste ohmsche Last lässt nicht das Anpassen der elektrischen Last beruhend auf den Anforderungen des Stapels oder des Brennstoffzellensystems zu. Zum Beispiel können manche Zellenspannungsüberwachungsgeräte durch die Zellenspannungen betrieben werden, was ein gewisses Maß an Zellenspannung erfordert, um die Zellenspannungsüberwachungsgeräte bei Start einzuschalten.
  • Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Brennstoffzellensystemen und Verfahren zum Optimieren der gleichmäßigen Verteilung von Wasserstoff zu den Anodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels während Startbetrieb bekannt. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, die Anoden während Startbedingungen mit Wasserstoff- und Wasserstoff gasgemischen schnell von der angesammelten Luft zu befreien, um die Zeit zu minimieren, die die Wasserstoff-Luft-Front während des Starts an den Anoden vorhanden ist. Das Spülen ist häufig ausgelegt, um den Anodeneinlasssammler wesentlich und gleichmäßig mit Wasserstoff zu füllen, ahne einen Wasserstoffüberschuss aus dem Brennstoffzellensystem abzuführen. In der gleichzeitig anhängigen U. S. Anmeldung Ser. Nr. 11/762,845 der Anmelderin, die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist, wird ein veranschaulichendes Spülverfahren offenbart.
  • Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, die Zufuhr von Wasserstoff und wasserstoff-inerten Gasgemischen zu steuern, um während eines Starts des Brennstoffzellensystems einen variablen Anodendurchsatz vorzusehen, wobei das Brennstoffzellensystem und das Verfahren eine Anodenfüllzeit minimieren. In der gleichzeitig anhängigen U. S. Anmeldung Ser. Nr. 12/725,771 der Anmelderin (Aktenzeichen der Anmeldering 140153), die hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist, wird ein solches Verfahren offenbart. Kombiniert mit einem Vollkurzschluss lässt das zum Steuern der Zufuhr von Reaktanden zu den Anodenelektroden beschriebene System ein Verändern des elektrischen Stroms zu. Ein solches Verfahren erfordert aber eine hochpräzise Steuerung sowohl der Zufuhr von Reaktanden zu der Anodenelektrode als auch des Anlegens des Vollkurzschlusses.
  • Es besteht ungebrochen Bedarf nach einem reaktionsfähigen und steuerbaren Brennstoffzellensystem samt Verfahren, das durch Minimieren des elektrischen Potentials in der Brennstoffzelle während Start vor örtlich begrenzter Korrosion in einer Brennstoffzelle schützt, ohne zusätzliche Komponenten oder Kosten zu erfordern. Wünschenswerterweise minimiert der Brennstoffzellenstapel samt Verfahren die Wirkungen einer nicht gleichmäßigen Verteilung von Wasserstoff während Start und wirkt einer Spannungsdegradation des Brennstoffzellenstapels entgegen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Übereinstimmung und im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise ein Brennstoffzellensystem samt Verfahren zum Erleichtern einer adaptiven und variablen elektrischen Last, die während Start an einem Brennstoffzellensystem angelegt wird, entdeckt, während auch die Degradation des Brennstoffzellensystems aufgrund einer nicht gleichmäßigen Wasserstoffverteilung über einer Anode minimiert wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem: einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine externe elektrische Schaltung, einen Sensor zum Messen mindestens einer von einer den Brennstoffzellenstapel beeinflussenden Umgebungsbedingung und einer Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels umfasst, wobei der Sensor ein Sensorsignal erzeugt, das eine Messung des Sensors darstellt; und einen Prozessor zum Empfangen des Sensorsignals, zum Analysieren des Sensorsignals und zum Steuern einer an der externen elektrischen Schaltung der Brennstoffzelle angelegten adaptiven Last beruhend auf dem analysierten Sensorsignal.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem: einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine externe elektrische Schaltung, einen Sensor zum Messen mindestens eines von einem in einen Anodenzufuhrsammler eingespritzten Fluidvolumens, einer elektrischen Spannung über mindestens einer Brennstoffzelle, eines von dem Brennstoffzellenstapel gelieferten elektrischen Stroms, eines Abschaltzeitraums und eines Umgebungsfaktors umfasst, wobei der Sensor ein Sensorsignal erzeugt, das eine Messung des Sensors darstellt; und einen Prozessor zum Empfangen des Sensorsignals, zum Analysieren des Sensorsignals und zum Steuern einer an der externen elektrischen Schaltung der Brennstoffzelle angelegten adaptiven Last beruhend auf dem analysierten Sensorsignal.
  • Die Erfindung sieht auch Verfahren zum Anlegen einer adaptiven Last an der Brennstoffzelle vor.
  • Ein Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Vorsehen eines Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine externe elektrische Schaltung umfasst, Messen mindestens einer von einer den Brennstoffzellenstapel beeinflussenden Umgebungsbedingung und einer Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels; und Steuern einer an der externen elektrischen Schaltung der Brennstoffzelle angelegten adaptiven Last beruhend auf einer Analyse mindestens eines von gemessener Umgebungsbedingung und gemessener Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne Weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen hervor, wobei:
  • 1 eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten PEM-Brennstoffzellenstapels ist;
  • 2 eine schematische Querschnittansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3A und 3B schematische Ansichten von Ausführungsformen einer adaptiven Last und eines Verfahrens zum Anlegen der adaptiven Last an einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung sind.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
  • 1 veranschaulicht einen PEM-Brennstoffzellenstapel 10 nach dem Stand der Technik. Der Einfachheit halber wird in 1 nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine Bipolarplatte) veranschaulicht und beschrieben, wobei sich versteht, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viel mehr solcher Zellen und Bipolarplatten aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst ein Paar von Membranelektrodeneinheiten (MEA) 12, 14, die durch eine elektrisch leitfähige Bipolarplatte 16 getrennt sind. Die MEA 12, 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 18, 20 und einem Paar von unipolaren Endplatten 22, 24 gestapelt. Die Klemmplatten 18, 20 sind durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) von den Endplatten 22, 24 elektrisch isoliert. Eine Arbeitsseite 26, 28 jeder der unipolaren Endplatten 22, 24 sowie die Arbeitsseiten 30, 32 der Bipolarplatte 16 umfassen jeweils mehrere Rillen oder Kanäle 34, 40, 36, 38, die zum Fördern des Strömens eines Brennstoffs wie etwa Wasserstoff und eines Oxidationsmittels wie etwa Sauerstoff dadurch ausgelegt sind. Nicht leitende Dichtungen 42, 44, 46, 48 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 50, 52, 54, 56 wie etwa Kohlenstoff- oder Graphitdiffuonspapiere liegen im Wesentlichen jeweils an einer Anodenfläche und einer Kathodenfläche der MEA 12, 14 an. Die Endplatten 22, 24 sind jeweils benachbart zu den Diffusionsmedien 50, 56 angeordnet. Die Bipolarplatte 16 ist benachbart zu dem Diffusionsmedium 52 an der Anodenseite der MEA 12 und benachbart zu dem Diffusionsmedium 54 an der Kathodenseite der MEA 14 angeordnet.
  • Wie gezeigt umfassen die MEA 12, 14, die Bipolarplatte 16, die Endplatten 22, 24 und die Dichtungen 42, 44, 46, 48 jeweils eine Kathodenzufuhröffnung 58, eine Kathodenabfuhröffnung 60, eine Kühlmittelzufuhröffnung 62, eine Kühlmittelabfuhröffnung 64, eine Anodenzufuhröffnung 66 und eine Anodenabfuhröffnung 68. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kathodenzufuhröffnungen 58, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kathodenzufuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kathodenabfuhröffnungen 60, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kathodenabfuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kühlmittelzufuhröffnungen 62, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kühlmittelzufuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Kühlmittelabfuhröffnungen 64, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Kühlmittelabfuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Anodenzufuhröffnungen 66, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Anodenzufuhrsammler ausgebildet. Durch die Ausrichtung von benachbarten Anodenabfuhröffnungen 68, die in den MEA 12, 14, der Bipolarplatte 16, den Endplatten 22, 24 und den Dichtungen 42, 44, 46, 48 ausgebildet sind, ist ein Anodenabfuhrsammler ausgebildet.
  • Durch den Anodenzufuhrsammler wird mittels einer Anodeneinlassleitung 70 dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Wasserstoffgas zugeführt. Durch den Kathodenzufuhrsammler des Brennstoffzellenstapels 10 wird mittels einer Kathodeneinlassleitung 72 dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Oxidationsgas zugeführt. Eine Anodenauslassleitung 74 und eine Kathodenauslassleitung 76 sind für den Anodenabfuhrsammler bzw. den Kathodenabfuhrsammler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 78 und eine Kühlmittelauslassleitung 80 stehen mit dem Kühlmittelzufuhrsammler und dem Kühlmittelabfuhrsammler in Fluidverbindung, um ein Strömen eines flüssigen Kühlmittels dadurch vorzusehen. Es versteht sich, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 70, 72, 78 und der verschiedenen Auslässe 74, 76, 80 in 1 dem Zweck des Veranschaulichens dienen und dass nach Bedarf andere Konfigurationen gewählt werden können.
  • 2 zeigt eine Anodenseite eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 110 mit mehreren Brennstoffzellen 112. Jede der Brennstoffzellen 112 weist eine (nicht gezeigte) Anode und eine (nicht gezeigte) Kathode mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran (nicht gezeigt) auf. Der Brennstoffzellenstapel 110 umfasst weiterhin ein erstes Ende 114 und ein zweites Ende 116. Wie hierin beschrieben ist das erste Ende 114 als das ”trockene Ende” bekannt und das zweite Ende 116 ist als das ”nasse Ende” bekannt.
  • In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Anodenzufuhrsammler 118, einen Anodenabfuhrsammler 120, mehrere Sensoren 122, 124, 126, eine elektrische Last 128 und einen Prozessor 130. Es versteht sich, dass in dem Brennstoffzellensystem 100 weitere Komponenten und Systeme enthalten sein können, wie zum Beispiel ein Recycle-Subsystem.
  • Der Anodenzufuhrsammler 118 steht mit den Anoden der Brennstoffzellen 112 in Verbindung und sieht zwischen einer Wasserstoffquelle 132 und den Brennstoffzellen 112 Fluidverbindung vor. Es versteht sich, dass andere Fluidquellen verwendet werden können, wie zum Beispiel Stickstoff und Luft. Wie gezeigt nimmt der Anodenzufuhrsammler 118 durch eine Anodeneinlassleitung 134 von der Wasserstoffquelle 132 eine Strömung von gasförmigem Wasserstoff auf. Die Anodeneinlassleitung 134 legt ein Volumen zwischen der Wasserstoffquelle 132 und dem Anodenzufuhrsammler 118 fest. Es versteht sich, dass die Anodeneinlassleitung 134 eine beliebige erwünschte Querschnittfläche haben kann und weiterhin zum Beispiel eine Kammer und Isolierung sowie Steuerventile umfassen kann. Wie gezeigt umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein erstes Ventil 136, das auch als Spülventil bekannt ist, das mit dem Anodenzufuhrsammler 118 in Fluidverbindung steht. Das erste Ventil 136 ist an dem ersten Ende 114 des Brennstoffzellenstapels 110 von der Anodeneinlassleitung 134 beabstandet angeordnet. Das erste Ventil 136 umfasst einen Einlass 138 zum Aufnehmen einer Fluidströmung und einen Auslass 140 zum Abführen eines Fluids, wenn sich das erste Ventil 136 in einer offenen Stellung befindet.
  • Der Anodenabfuhrsammler 120 des Brennstoffzellensystems 100 sieht zwischen den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 112 und einem Abfuhrsystem 142 Fluidverbindung vor. Der Anodenabfuhrsammler 120 nimmt das durch die Anoden der Brennstoffzellen 112 strömende Fluid auf. Das Fluid, das veranlasst wird, durch die Anoden zu strömen, kann zum Beispiel gasförmiger Wasserstoff, Luft oder Wasser sein. Ein zweites Ventil 144 steht mit dem Anodenabfuhrsammler 120 in Fluidverbindung und ist an dem zweiten Ende 116 des Brennstoffzellenstapels 110 angeordnet. Das zweite Ventil 144 erleichtert das Entfernen oder Spülen eines Fluids aus dem Anodenabfuhrsammler 120. Es versteht sich, dass das zweite Ventil 144 ggf. an dem ersten Ende 114 des Brennstoffzellenstapels 110 angeordnet werden kann. Ferner versteht sich, dass das zweite Ventil 144 zum Beispiel Fluid zu einem (nicht gezeigten) Kathodeneinlass spulen kann. Im Einzelnen umfasst das zweite Ventil 144 einen Einlass 146 zum Aufnehmen einer Fluidströmung und einen Auslass 148 zum Abführen eines Fluids, wenn sich das zweite Ventil 144 in einer offenen Stellung befindet.
  • Die Sensoren 122, 124, 126 sehen ein Mittel zum Messen von Eigenschaften des Brennstoffzellensystems 100 und einer umliegenden Umgebung vor. Während in 2 drei Sensoren 122, 124 und 126 abgebildet sind, versteht sich, dass mehr oder weniger Sensoren in dem Brennstoffzellenstapel 110 enthalten sein können. Bei Betrieb ist mindestens einer der Sensoren 122, 124, 126 ausgelegt, eine elektrische Spannung über mindestens einer der Brennstoffzellen 112 oder einen von mindestens einer der Brennstoffzellen 112 fließenden elektrischen Strom zu messen. Ein anderer der Sensoren 122, 124, 126 ist typischerweise ausgelegt, um eine Eigenschaft des in den Anodenzufuhrsammlers 118 strömenden Fluids, wie zum Beispiel kumulatives Volumen des Fluids, zu messen. Ein anderer der Sensoren 122, 124, 126 ist ausgelegt, um eine den Brennstoffzellenstapel 110 beeinflussende Umgebungseigenschaft zu messen. Als nicht einschränkende Beispiele kann die Umgebungseigenschaft eine Temperatur, ein Zeitraum, eine Zusammensetzung eines durch die Anodenseite des Brennstoffzellestapels 110 strömenden Fluids, ein Alter des Brennstoffzellenstapels 110 und ein Druckwert an verschiedenen Punkten in dem Brennstoffzellensystem 100 sein. Es versteht sich, dass andere Eigenschaften und Systemparameter gemessen werden können, wie zum Beispiel ein durch die elektrische Last 128 fliehender elektrischer Strom. Ferner versteht sich, dass jeder der Sensoren 122, 124, 126 ausgelegt ist, um zu dem Prozessor 130 ein Sensorsignal zu senden, wobei das Sensorsignal die Messungsdaten eines zugehörigen der Sensoren 122, 124, 126 darstellen.
  • Der gezeigte Prozessor 130 steht mit den Sensoren 122, 124, 126 und mit der elektrischen Last 128 in Verbindung. Somit ist der Prozessor 130 ausgelegt, um jedes der von den Sensoren 122, 124, 126 gesendeten Sensorsignale zu empfangen, die Sensorsignale zu analysieren und eine Größenordnung der an dem Brennstoffzellenstapel 110 angelegten elektrischen Last 128 als Reaktion auf die Analyse der Sensorsignale zu steuern.
  • Die elektrische Last 128 steht mit dem Brennstoffzellenstapel 110 in elektrischer Verbindung und ist Teil einer externen elektrischen Schaltung 170 (3), die mit mehreren (nicht gezeigten) Anschlüssen des Brennstoffzellenstapels 110 elektrisch verbunden ist und ausgelegt ist, um von jeder Brennstoffzelle 112 elektrischen Strom aufzunehmen. Um während Start Korrosion in dem Brennstoffzellenstapel 110 zu minimieren wird die elektrische Last 128 von dem Prozessor 130 so gesteuert, dass das mittlere Potential jeder Brennstoffzelle unter etwa 0,7 Volt gehalten wird. Günstige Ergebnisse wurden erhalten, wenn das Potential jeder Brennstoffzelle bei mindestens unter 0,8 Volt gehalten wird oder wenn ein von jeder Brennstoffzelle abgegriffener Strom bei etwa 0,07 Amp/cm2 liegt. In der Praxis wird dies durch den Prozessor 130 verwirklicht, der die Größenordnung der elektrischen Last 128 hoch genug festlegt, wodurch das elektrische Potential des Brennstoffzellenstapels 110 verringert wird und nach Bedarf das elektrische Potential einer einzelnen Brennstoffzelle 112 verringert wird. In Fällen einer sinkenden Wasserstoffströmung zu einer oder mehreren Zellen in dem Brennstoffzellenstapel und des resultierenden sinkenden elektrischen Potentials einer oder mehrerer Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 110 stellt der Prozessor 130 alternativ die Größenordnung der elektrischen Last 128 niedrig genug ein, um Fließen elektrischen Stroms von dem Brennstoffzellenstapel zu der externen elektrischen Schaltung 170 zu verringern, wodurch das elektrische Potential der Zellen niedrigen Potentials in dem Brennstoffzellenstapel erhöht und eine Umkehr von Zellenpolarität verhindert wird.
  • Wie in 3A und 3B ersichtlich umfasst die elektrische Last mindestens einen Pluspol 172 und mindestens einen Minuspol 174, die eine elektrische Schaltung bilden, die elektrischen Strom von jeder Brennstoffzelle 112 leitet und ihn der elektrischen Last 128 liefert. In einer in 3A gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Last 128 ein veränderlicher Widerstand 176, der einstellbar ist, um eine erwünschte ohmsche Belastung an dem Brennstoffzellenstapel 110 anzulegen. Der veränderliche Widerstand 176 kann auf einen diskreten Wert festgelegt oder kann durch den Prozessor 130 kontinuierlich verändert werden, um sicherzustellen, dass die Anoden ein vorbestimmtes Potential halten. Insbesondere würde der Prozessor 130 sicherstellen, dass der Widerstandswert des veränderlichen Widerstands 176 nicht so tief fällt, dass der Brennstoffzellenstapel 110 zu viel Last erfährt, was zu einem schädigenden Zellenumkehrphänomen führt. Der veränderliche Widerstand 176 kann nach Bedarf ein Potentiometer, ein Abgleichswiderstand, ein Rheostat, ein Varistor oder eine beliebige andere einstellbare Widerstandsvorrichtung sein.
  • In einer in 3B gezeigten anderen Ausführungsform kann die elektrische Last 128 mehrere externe Vorrichtungen 180, 182, 184 umfassen. Während nur drei externe Vorrichtungen 180, 182, 184 gezeigt sind, versteht sich, dass die verfügbare tatsächliche Anzahl solcher Vorrichtungen nach Bedarf geändert werden kann. Bevorzugt umfassen die externen Vorrichtungen 180, 182, 184 Systemvorrichtungen, die zur Verwendung während normalen Betriebs an der Brennstoffzelle angebracht sind. Als nicht einschränkendes Beispiel kann in einer zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Brennstoffzelle eine beliebige der elektrischen Vorrichtungen des Fahrzeugs als externe Vorrichtung 180, 182, 184 verwendet werden, beispielsweise ein Kühlerlüfter, eine Fahrgastraumheizung, eine Brennstoffzellenstapel-Heizung, ein Luftkompressor, ein Batterieladegerät, eine Beleuchtungsvorrichtung oder dergleichen. Der Prozessor 130 steht in dieser Ausführungsform mit den Sensoren 122, 124, 126 und mit der elektrischen Last 128 bestehend aus externen Vorrichtungen 180, 182, 184 in Verbindung. Somit ist der Prozessor 130 ausgelegt, jedes der von den Sensoren 122, 124, 126 gesendeten Sensorsignale zu empfangen, die Sensorsignale zu analysieren und die Größenordnung der an dem Brennstoffzellenstapel 110 angelegten elektrischen Last 128 als Reaktion auf die Analyse der Sensorsignale zu steuern. Die Größenordnung der elektrischen Last 128 wird von dem Prozessor 130 unter selektiven Zuschalten oder Variieren der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 eingestellt. Es versteht sich, dass der Prozessor 130 keine, eine oder mehr als eine der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 selektiv zuschalten oder variieren kann, um die erwünschte Größenordnung der elektrischen Last 128 zu erreichen. Es versteht sich auch, dass jede der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 andere Widerstandseigenschaften als die anderen externen Vorrichtungen haben kann. Dadurch ermittelt der Prozessor 130 auch beruhend auf den Sensorsignalen von den Sensoren 122, 124, 126, welche der externen Vorrichtungen 180 182, 186 einzuschalten ist, um sicherzustellen, dass das elektrische Potential des Brennstoffzellenstapels 110 unter vorbestimmten Grenzwerten bleibt. Zum Minimieren von Korrosion in dem Brennstoffzellenstapel 110 während Start wird ein Zuschalten der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 von dem Prozessor 130 gesteuert, um das Potential jeder Zelle unter 0,7 Volt zu halten. Günstige Ergebnisse werden erhalten, wenn das Potential jeder Zelle mindestens unter 0,8 Volt gehalten wird oder wenn ein Stromabgriff von jeder Brennstoffzelle bei etwa 0,07 Amp/cm2 liegt. Wie in 3B in schematischer Form gezeigt ist, steht der Prozessor 130 mit einer Bank von Schaltern 186, 188, 190 in Verbindung und steuert diese, wobei jeder derselben eine der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 zuschaltet. Es versteht sich, dass die Schalter 186, 188, 190 keine tatsächlichen Schalter sein müssen und stattdessen von dem Prozessor 130 direkt gesteuert oder betätigt werden können.
  • Der Prozessor 130 ermöglicht so kombiniert mit den Sensoren 122, 124, 126 und mit den externen Vorrichtungen 180, 182, 184 eine adaptive Belastung des Brennstoffzellenstapels 110. Es versteht sich, dass die adaptiven Lasten, die durch die externen Vorrichtungen 180, 182, 184 vorgesehen werden, mit einzelnen Brennstoffzellen 112 gekoppelt sein können oder mit dem Brennstoffzellenstapel 110 gekoppelt sein können, um das elektrische Potential jeder Brennstoffzelle 112 zu beeinflussen, ohne Zellenumkehr hervorzurufen.
  • Die adaptive Belastung des Brennstoffzellenstapels 110 hält daher während Start, Bedingungen steigenden Strombedarfs und Bedingungen sinkenden Strombedarfs oder bei lastfreien Bedingungen an jeder Brennstoffzelle 112 ein Sollpotential. Die adaptive Belastung des Brennstoffzellenstapels ist auch äußerst steuerbar und sieht eine im Wesentlichen unmittelbare Reaktion auf eine erfasste Bedingung vor.
  • Wie in 2 gezeigt analysiert und beurteilt der Prozessor 130 die Sensorsignale beruhend auf einem Befehlssatz 150. Der Befehlssatz 150, der in einem beliebigen maschinell lesbaren Medium verkörpert sein kann, umfasst Algorithmen, Formeln, tabellarische Daten und vom Prozessor ausführbare Befehle zum Konfigurieren des Prozessors 130, um eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen. Es versteht sich, dass der Prozessor 130 neben dem Steuern der elektrischen Last 128 vielerlei Funktionen ausführen kann, wie etwa Steuern der Funktionen der Sensoren 122, 124, 126.
  • In bestimmten Ausführungsformen kann der Prozessor 130 eine Speichervorrichtung 152 umfassen. Die Speichervorrichtung 152 kann eine einzelne Speichervorrichtung sein oder kann aus mehreren Speichervorrichtungen bestehen. Weiterhin kann die Speichervorrichtung 152 ein Solid-State-Speichersystem, ein Magnetspeichersystem, ein optisches Speichersystem oder jedes andere geeignete Speichersystem bzw. jede andere geeignete Speichervorrichtung sein. Es versteht sich, dass die Speichervorrichtung 152 ausgelegt ist, um den Befehlssatz 150 zu speichern. Nach Bedarf können in der Speichervorrichtung 152 andere Daten und Informationen gespeichert sein.
  • Weiterhin kann der Prozessor 130 eine programmierbare Komponente 154 umfassen. Es versteht sich, dass die programmierbare Komponente 154 mit einer beliebigen anderen Komponente des Brennstoffzellensystems 100, wie zum Beispiel den Sensoren 122, 124, 126, in Verbindung stehen kann. In bestimmten Ausführungsformen ist die programmierbare Komponente 154 ausgelegt, um Verarbeitungsfunktionen des Prozessors 130 zu verwalten und zu steuern. Im Einzelnen ist die programmierbare Komponente 154 ausgelegt, um die Analyse der Sensorsignale zu steuern. Es versteht sich, dass die programmierbare Komponente 154 ausgelegt sein kann, um auf der Speichervorrichtung 152 Daten und Informationen zu speichern und von der Speichervorrichtung 152 Daten und Informationen abzurufen. In einer Ausführungsform ist der Prozessor 130 ein Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) oder jeder andere Regelkreisrückführungsmechanismus, wobei der Prozessor die elektrische Last 128 als Reaktion auf die Sensorsignale der Sensoren 122, 124, 126 steuert. In einer anderen Ausführungsform implementiert der Prozessor 130 einen logikbasierten Rückführungsmechanismus. Es versteht sich, dass die Regelschleife kontinuierlich sein kann oder nur als Reaktion auf von den Sensoren empfangene vorbestimmte Signale aktiv sein kann.
  • Im Einzelnen misst jeder der Sensoren 122, 124, 126 an verschiedenen Stellen in dem Brennstoffzellensystem 100 Eigenschaften und Werte. Jeder der Sensoren 122, 124, 126 sendet das die gemessenen Daten und Informationen darstellende Sensorsignal zu dem Prozessor 130. Nach Empfang analysiert der Prozessor 130 die durch jedes der Sensorsignale dargestellten Daten und Informationen und steuert die elektrische Last 128 der externen elektrischen Schaltung 170. Es versteht sich, dass der Prozessor 130 in einer Ausführungsform das Anlegen des veränderlichen Widerstands 176 unmittelbar steuern kann oder in einer anderen Ausführungsform den Anschluss der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 an die externe elektrische Schaltung 170 unmittelbar oder mittelbar steuern kann.
  • Als nicht einschränkendes Beispiel steigt bei Strömen eines Wasserstoffgases in die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 ein Bereich von Zellenspannungen (zwischen einer Mindestzellenspannung und einer Höchstzellenspannung), bis mindestens eine der Brennstoffzellen 112 überschüssigen Wasserstoff aufweist. Mindestens einer der Sensoren 122, 124, 126 misst somit eine elektrische Spannung über mindestens einer der Brennstoffzellen 112, und der Prozessor 130 regelt selektiv das Anlegen der elektrischen Last 128 als Reaktion auf die gemessene elektrische Spannung. In bestimmten Ausführungsformen bleibt die Größenordnung der elektrischen Last 128 konstant, bis eine Spannungsspitze detektiert wird. Danach wird die Größenordnung der elektrischen Last 128 nach Bedarf modifiziert, um das elektrische Potential über mindestens einer der Brennstoffzellen 112 zu minimieren, ohne eine Zellenumkehr hervorzurufen. In anderen Ausführungsformen wird die Größenordnung der ohmschen Last selektiv modifiziert, bis ein eingeschwungener Betrieb des Brennstoffzellenstapels 110 erreicht ist.
  • In einem anderen Beispiel stellt bei Strömen von Wasserstoff in die aktiven Bereiche der Brennstoffzellen 112 ein von dem Brennstoffzellenstapel 110 zu der elektrischen Last 128 gelieferter elektrischer Strom eine Funktion eines Oxidationszustands der Anoden- und Kathodenelektroden dar. Da die Anode mit Wasserstoff gefüllt wird, steigt die Fähigkeit der Anodenstromführung während des gesamten Anodenfüllens an. Aufgrund eines Mangels an Frischluft, die der Kathode geliefert wird, nimmt die Fähigkeit der Kathode ab, Strom zu erzeugen. Dadurch bewirkt der Prozessor 130 durch selektives Abschalten einer der externen Vorrichtungen 180, 182, 184 oder durch Erhöhen der Größenordnung des veränderlichen Widerstands 176 ein Steigern der Impedanz an der externen elektrischen Schaltung 170, um sicherzustellen, dass das elektrische Potential des Brennstoffzellenstapels oder der einzelnen Brennstoffzellen 112 nicht unter einen Mindestwert fällt.
  • Die adaptive Belastung der vorliegenden Erfindung soll das Verfahren der niederimpedanten Schaltung während Start oder einer festen Widerstandslast ohne Hinzufügen zusätzlicher Komponenten ersetzen und sieht weiterhin erhöhte Steuerbarkeit und Ansprechvermögen auf Unterschiede des elektrischen Potentials zwischen einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels vor. Die adaptive Belastung der vorliegenden Erfindung kann auch kombiniert mit einem Stapelspül- oder Stapelreinigungsverfahren verwendet werden, das während Start einer Brennstoffzellen angewendet wird, um das elektrische Potential einzelner Brennstoffzellen 112 zu steuern und eine örtlich begrenzte Korrosion der Anoden und Kathoden derselben zu verhindern. Das Brennstoffzellensystem 100 und das Verfahren für adaptive Belastung minimieren auch eine Degradation des Brennstoffzellensystems aufgrund von Ungleichgewichten des elektrischen Potentials in den Zellen des Brennstoffzellensystems während Starts.
  • Ein Durchschnittsfachmann kann der vorstehenden Beschreibung mühelos die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und ohne Abweichen vom Wesen und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Anwendungen und Bedingungen anzupassen.

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine externe elektrische Schaltung umfasst, die zum Aufnehmen von elektrischem Strom von dem Brennstoffzellenstapel ausgelegt ist; einen Sensor zum Messen mindestens einer von einer den Brennstoffzellenstapel beeinflussenden Umgebungsbedingung und einer Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels, wobei der Sensor ein eine Messung des Sensors darstellendes Sensorsignal erzeugt; und einen Prozessor zum Empfangen des Sensorsignals, Analysieren des Sensorsignals und Steuern einer an der externen elektrischen Schaltung angelegten adaptiven Last beruhend auf dem analysierten Sensorsignal.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Messung einer elektrischen Spannung über mindestens einer der Brennstoffzellen, eines elektrischen Stroms durch die externe elektrische Schaltung oder eines elektrischen Stroms durch die adaptive Last erhält und wobei die an der elektrischen Schaltung der Brennstoffzelle angelegte adaptive Last als Reaktion auf die Messung abgewandelt wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die adaptive Last eine veränderliche Widerstandslast ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die adaptive Last weiterhin mehrere externe Vorrichtungen umfasst, wobei eine Größenordnung der adaptiven Last durch das selektive Zuschalten der externen Vorrichtungen durch den Prozessor gesteuert wird.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1. wobei der Prozessor einen Regelkreisrückführungsmechanismus umfasst.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Messung der Umgebungsbedingung erhält, wobei die Umgebungsbedingung mindestens eines von einer Umgebungstemperatur, einem Abschaltzeitraum, einer Zusammensetzung eines durch den Brennstoffzellenstapel strömenden Fluids, einem Alter des Brennstoffzellenstapels und einem Druckwert in dem Brennstoffzellensystem ist.
  7. Verfahren zum Steuern einer an einem Brennstoffzellensystem angelegten Last, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine externe elektrische Schaltung umfasst, die mit dem Brennstoffzellenstapel in elektrischer Verbindung steht und zum Aufnehmen von elektrischem Strom von dem Brennstoffzellenstapel ausgelegt ist; Messen mindestens einer den Brennstoffzellenstapel beeinflussenden Umgebungsbedingung und einer Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels; und Steuern einer an der externen elektrischen Schaltung angelegten adaptiven Last beruhend auf mindestens einem von gemessener Umgebungsbedingung und gemessener Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die gemessene Eigenschaft des Brennstoffzellenstapels mindestens eines von einer elektrischen Spannung über mindestens einer Brennstoffzelle und einem von mindestens einer Brennstoffzelle zugeführtem elektrischen Strom ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die adaptive Last eine veränderliche Widerstandslast ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die adaptive Last weiterhin mehrere externe Vorrichtungen umfasst, wobei eine Größenordnung der adaptiven Last durch einen die externen Vorrichtungen selektiv zuschaltenden Prozessor gesteuert wird.
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