-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines möglichen Ausfalls von Membranen von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines möglichen Ausfalls von Membranen für Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, der das Bestimmen beinhaltet, ob ein Multiplikationsfaktor, der aus einer minimalen Zellspannung und einer Stapelstromdichte bestimmt wird, größer ist, als ein vorbestimmter Multiplikationsfaktor, der einen möglichen Ausfall indiziert.
-
2. Diskussion des Standes der Technik
-
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Treibstoff, da er sauber ist und effizient dazu genutzt werden kann, um Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten zwischendrin beinhaltet. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und die Elektronen in der Kathode erzeugen Wasser. Die Elektronen aus der Anode können nicht in den Elektrolyten gelangen und demzufolge werden diese über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gesendet werden.
-
Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC beinhalten eine feste Polymerelektrolytmembran, die Protonen leitet, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode beinhaltet typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), welches auf Kohlenstoffteilchen gelagert ist und mit einem Ionomer vermischt ist. Die Katalysatormischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran angeordnet. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, die Kathodenkatalysatormischung und die Membran definieren eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Membranelektrodenanordnungen können auch auf andere Weise hergestellt werden, beispielsweise kann ein Katalysator mit einem Diffusionsmedium (CCDM) und über physikalische Dampfabscheidungs-(PVD)-Verfahren hergestellt werden. Membranelektrodenanordnungen sind relativ aufwändig herzustellen und erfordern gewisse Bedingungen für ihren effektiven Betrieb.
-
Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt am Kathodeneingang ein Reaktionsgas, typischerweise einen Luftfluss, der durch den Stapel über einen Kompressor geleitet wird. Nicht der gesamte Sauerstoff wird vom Stapel aufgebraucht und etwas an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthält. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anodenwasserstoffreaktionsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Stapel beinhaltet des weiteren Durchflusskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt.
-
Der Brennstoffzellenstapel beinhaltet eine Serie von bipolaren Platten, die zwischen verschiedenen Membranelektrodenanordnungen im Stapel angeordnet sind, wobei die bipolaren Platten und die Membranelektrodenanordnungen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die bipolaren Platten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. Anodengasflusskanäle werden auf der Anodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, um das Anodenreaktionsgas an die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließen zu lassen. Kathodengasflusskanäle werden auf der Kathodenseite der bipolaren Platten vorgesehen, die es gestatten, dass das Kathodenreaktionsgas in die jeweiligen Membranelektrodenanordnungen fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die bipolaren Platten und Endplatten werden aus leitfähigem Material, beispielsweise einem rostfreien Stahl oder einer leitfähigen Komponente gebildet. Die Endplatten leiten die Elektrizität aus dem Stapel heraus, die innerhalb der Brennstoffzellen erzeugt wurde. Die bipolaren Platten beinhalten Durchflusskanäle, durch welche eine Kühlflüssigkeit fließt.
-
Mit der Alterung eines Brennstoffzellenstapels nimmt die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zellen im Stapel aus verschiedenen Gründen unterschiedlich ab. Es gibt verschiedene Gründe für schlecht funktionierende Zellen, beispielsweise ein Zellenfluten, einen Verlust an Katalysator, etc., wobei einige temporär und einige permanent sind, einige eine Pflege benötigen und einige es benötigen, dass Zellen aus dem Brennstoffzellenstapel wegen der schlechten Leistungsfähigkeit ersetzt werden. Obwohl die Brennstoffzellen elektrisch miteinander in Reihe geschaltet sind, nimmt die Spannung für jede Zelle unterschiedlich ab, sobald eine Last über den Stapel geschaltet wird, wobei die Zellen, welche Zellen mit einer niedrigen Leistungsfähigkeit sind, eine niedrigere Spannung aufweisen. Demzufolge ist es notwendig, die Zellspannungen der Brennstoffzellen in dem Stapel zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Spannungen der Zellen nicht unter einen bestimmten Schwellspannungswert abfallen, um zu verhindern, dass eine Zellspannungspolaritätsumkehr stattfindet, die möglicherweise die Zelle dauerhaft schädigt.
-
Eine Art von Brennstoffzellenalterung ist der Zellmembranausfall, welcher einen Zellspannungsverlust insbesondere bei niedrigen Stapelstromdichten bewirkt. Membranausfall findet auf Grund vieler Faktoren statt. Beispielsweise kann die ungenügende Separation von Brennstoff und Oxidanz zu einem beschleunigten Ausfall der Membranen und der Membranelektrodenanordnungen führen. Darüber hinaus kann ein Membranausfall auch auf Grund von mechanischen Verspannungen auftreten, der auf die Membranen durch eine dynamische Operation und dynamischen Lastwechsel bei Betriebsbedingungen stattfindet, insbesondere als ein Ergebnis von ständigen Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen. Als anderer Faktor für den Ausfall für Membranen kann chemischer Stress angesehen werden, der bei dem Betrieb von einer Brennstoffzelle auftritt. Membranausfall könnte genauso gut das Ergebnis von anderen Faktoren, beispielsweise mechanischen Fehlern oder Ermüdungsfehlern, Kurzschluss, etc., sein.
-
Zellmembranausfall wird typischerweise eines oder beide der folgenden Phänomene verursachen. Eines dieser Phänomene beinhaltet den Cross-Over von Reaktionsgas durch die Membran in einer Brennstoffzelle, der als ein Ergebnis von ”Pin-Holes” und einer Membranverdünnung auftritt, die einen Spannungsverlust an der Brennstoffzelle bewirken. Pin-Holes treten mit der Zeit auf Grund der elektrischen Umgebung innerhalb der Brennstoffzelle auf Grund ihres Betriebs auf. Der Cross-Over von Reaktionsgas kann von der Kathode an die Anode oder von der Anode zur Kathode auftreten, jeweils abhängig vom relativen Druck und von den Partialdrücken zwischen beiden, welche die selbe Ausfallsart als Konsequenz tragen. Sofern die Größe der Pin-Holes zunimmt und der Betrag an Gas, der durch die Membran durchtritt, zunimmt, wird ein Zellausfall wahrscheinlicher. Darüber hinaus kann eine schlecht funktionierende Zelle einen Stapelzusammenbruch bewirken, der als Ergebnis von einem Cross-Over resultiert, sofern bei hohen Lasten eine signifikante Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel gezogen wird.
-
Ein anderes Phänomen für den Zellmembranausfall tritt beim Zellkurzschluss auf, wobei die Kathodenelektroden und Anodenelektroden miteinander in einen direkten elektrischen Kontakt treten, was ein Ergebnis von einer insgesamt unerwünschten Bedingung ist.
-
Andere Arten von Brennstoffzellenalterung werden allgemein als Elektrodenausfälle bezeichnet, welche genauso einen Zellspannungsverlust bewirken und typischerweise über die gesamten Stapelstromdichten oder zumindest bei hohen Stapelstromdichten auftreten. Brennstoffzellelektrodenausfälle sind typischerweise das Ergebnis eines Flusskanalüberflutens und im allgemeinen einer Zellalterung, eines Katalysatoraktivitätsverlusts, einer Katalysatorträgermaterialkorrosion, eines Elektrodenporositätsverlusts, etc.
-
Die US-Patentanmeldung Nr. 12/690,672 mit dem Titel ”Detektionsverfahren für Membranelektrodenausfälle und Brennstoffzellenstapel”, angemeldet am 20. Januar 2010, für den Inhaber der vorliegenden Anmeldung und hiermit durch Bezugnahme einbezogen, offenbart ein System und ein Verfahren zum Detektieren eines Ausfalls einer Membran in einer Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel, das ein Berechnen eines absoluten Differenzspannungswertes beinhaltet, der einen Mittelwert von der Differenz zwischen einer gemittelten Zellspannung und einer minimalen Zellspannung zu verschiedenen Abtastpunkten beinhaltet.
-
Wie oben erwähnt hat es sich gezeigt, dass ein Brennstoffzellenstapel altert, sobald er zum Ende seiner Lebensdauer gelangt, wobei viele der Brennstoffzellmembranen im Stapel relativ dünn werden und einen gesteigerten Cross-Over über die Membran gestatten, welcher die oben beschriebenen unerwünschten Effekte dann aufweist. Da ein großer Teil der Membranen dünn werden, wird die mittlere Zellspannung reduziert, und die relative Differenz zwischen der mittleren Zellspannung und der minimalen Zellspannung kann dann nicht anzeigen, dass eine Membranverdünnung und ein Cross-Over-Problem auftritt. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, dass bei hohen Stapelstromdichten, bei denen die Anoden- und Kathodenflussraten hoch sind, Anoden- und Kathodenstöchiometrien typischerweise das Problem des Cross-Overs überstehen, wobei das nicht detektierbar ist.
-
Es hat sich gezeigt, dass Stapel-Cross-Over-Probleme häufiger bei niedrigen Stapelstromdichten auftreten, wobei die Flussraten niedrig und der Cross-Over-Effekt nicht verdeckt wird. Darüber hinaus wird der Stapel-Cross-Over deutlicher, sobald der Betrag an Wasserstoff und Sauerstoff, der an die Kathodenseite und die Anodenseite des Stapels geliefert wird, sorgfältig kontrolliert wird, um genaue Emissionen und einen genauen Stapelbetrieb zu gewährleisten, wobei jegliche Reduktion dieser Gase als Ergebnis des Cross-Overs signifikante und unerwünschte Effekte auf die Stapelstabilität haben kann.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein System und ein Verfahren zum Bestimmen eines möglichen Ausfalls von Membranen in den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Überwachen der Stapelstromdichte und der minimalen Zellspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel. Falls sowohl die minimale Zellspannung als auch die Stapelstromdichte unterhalb vorbestimmter Werte liegen, multipliziert das Verfahren Skalierungsfaktoren auf die minimale Zellspannung und die Stapelstromdichte, um einen Membranausfallfaktor bereitzustellen. Falls der Membranausfallfaktor größer als ein Schwellwert ist, dann wird eine Anzeige für einen möglichen Membranausfall gegeben.
-
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten. Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenbar.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm für ein Brennstoffzellensystem;
-
2 ist ein Graph mit der Stapelstromdichte auf der horizontalen Achse und der minimalen Zellspannung auf der vertikalen Achse, der die Beziehung für die Bestimmung eines Stapelmembranausfalls veranschaulicht; und
-
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen eines Stapelmembranausfalls veranschaulicht.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Detektieren möglicher Ausfälle von Membranen in Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels gerichtet ist und auf einem Multiplikationsfaktor zwischen einer minimalen Zellspannung und einer Stapelstromdichte basiert, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen.
-
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Ein Kompressor 16 stellt einen Luftfluss zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 14 durch eine Wasserdampfüberleitungseinheit (WVT) 18 dar, welche die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird aus dem Stapel 12 zu einer Kathodenabgasleitung 20 ausgelassen. Die Kathodenabgasleitung 20 führt das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 18, um Wasserdampf bereitzustellen, der die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Eine Umgehungsleitung 28 ist rund um die WVT-Einheit 18 vorgesehen und ein Umgehungsventil 24 ist in der Umgehungsleitung 28 vorgesehen und kontrolliert, um selektiv das Kathodenabgas durch oder um die WVT-Einheit 18 umzuleiten, um den gewünschten Betrag an Feuchtigkeit an die Kathodeneingangsluft zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel 12 empfängt Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffquelle 32 auf einer Anodeneingangsleitung 30 für die Anodenseite des Stapels 12 und stellt ein Anodenabgas auf der Leitung 34 bereit. Ein Spannungs- und Stromüberwachungsschaltkreis 36 ist elektrisch an die Brennstoffzellen gekoppelt, der die Spannung jeder der Zellen im Stapel 12 misst und überwacht und die Stapelstromdichte misst.
-
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren vor, das einen signifikanten Cross-Over bestimmt, der über die Membranen der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 auftritt, sobald der Stapel 12 sich seinem Lebensdauerende zuneigt. Die Effekte von Stickstoff-Cross-Over werden bei niedrigen Stapelstromdichten deutlicher, wobei die Kathoden- und Anodenflüsse durch den Stapel 12 signifikant reduziert werden.
-
Beispielsweise kann ein Stapel mit Brennstoffzellen, der einen signifikanten Stickstoff-Cross-Over aufweist, zu einer Stapelinstabilität führen, wenn sich ein Fahrzeug im Leerlaufbetrieb befindet, beispielsweise für eine gewisse Zeit an einer roten Ampel, wobei die Stapelstromdichte niedrig sein würde und der Fahrzeugführer dann das Gaspedal, nachdem die Ampel auf ”Grün” geschaltet wurde, durchtritt. Demzufolge beschäftigt sich die vorliegende Erfindung bei der Bestimmung von Membranausfall nur mit niedrigen Stapelstromdichten. Insbesondere identifiziert das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung einen Multiplikationsfaktor, welcher über Multiplikation eines skalierten minimalen Zellspannungsfaktors und eines skalierten Stromdichtefaktors erzeugt wird, wenn sowohl die minimale Zellspannung als auch die Stapelstromdichte unterhalb vorbestimmter Werte liegen und vergleicht dann den Multiplikationsfaktor mit einem Schwellwert.
-
2 zeigt einen Graph mit einer skalierten Stapelstromdichte (A/cm2) auf der horizontalen Achse und einer skalierten minimalen Zellspannung (mV) auf der vertikalen Achse, welche eine graphische Veranschaulichung der Technik zur Bestimmung eines Multiplikationsfaktors für die Bestimmung eines Brennstoffzellenmembran-Cross-Overs ist. In diesem Beispiel bestimmt der Algorithmus lediglich den Multiplikationsfaktor, sobald die Stapelstromdichte unterhalb einer vorbestimmten Stapelstromdichte, beispielsweise 0,667 A/cm2, liegt, wobei dies bei einem Skalierungsfaktor von Null am linken Ende der Linie 38 gegeben ist. Die Stapelstromdichte wird entlang der Linie 38 skaliert bis zu einem Skalierungsfaktor von 10 bei 0,0 A/cm2 auf dem rechten Ende der Linie 38. Ähnlicherweise bestimmt der Algorithmus nur den Multiplikationsfaktor, falls die minimale Zellspannung unterhalb einer vorbestimmten Zellspannung, beispielsweise 667 mV, liegt, wobei ein vorgegebener Skalierungsfaktor von Null am unteren Ende der Linie 40 vorliegt. Die Zellspannung wird entlang der Linie 40 mit einem Skalierungsfaktor von 10 bei 0 mV bis zum oberen Ende der Linie 40 skaliert.
-
Auf Grund experimenteller Erkenntnisse oder anderer Verfahren wird der Multiplikationsfaktor bestimmt, so dass er einen Schwellwert identifiziert, der oberhalb des Multiplikationsfaktors liegt, der anzeigt, dass eine oder mehrere der Zellen einen signifikanten Stickstoff-Cross-Over aufweisen. Beim hier diskutierten Beispiel liegt der Multiplikationsfaktor bei 30, welcher durch die Linie 42 dargestellt wird und einen Cross-Over-Bereich 44 und einen Nicht-Cross-Over-Bereich 46 definiert. Beispielsweise ist der Skalierungsfaktor für die minimale Zellspannung 10 und der Skalierungsfaktor für die Stromdichte ist 5, falls die minimale Zellspannung 0 mV und die Stapelstromdichte 0,333 A/cm2 ist, was einen Multiplikationsfaktor von 50 im Punkt 48 ergibt. Der Multiplikationsfaktor 50 ist größer als der Schwellwertmultiplikationsfaktor 30, welcher in der Cross-Over-Region 44 vorliegt, was anzeigt, dass ein signifikanter Cross-Over stattfindet.
-
Falls sowohl die minimale Zellspannung als auch die Stapelstromdichte beide unter die Minimalwerte während eines Fahrzyklus fallen und der Multiplikationsfaktor erzeugt wird, wird dieser Faktor in einem Speicher abgelegt. Sofern der Fahrzyklus weiter geht, überwacht der Algorithmus den Multiplikationsfaktor, der berechnet wurde, und falls ein neu berechneter Multiplikationsfaktor dann größer ist, als der abgelegte Multiplikationsfaktor, ersetzt dann der Algorithmus den abgelegten Multiplikationsfaktor durch den neuen größeren Multiplikationsfaktor, so dass der höchste Multiplikationsfaktor, der während des Fahrzyklus auftritt, abgelegt wird. Andererseits verwirft der Algorithmus niedrigere Multiplikationsfaktoren. Das System kann eine Warnung für einen potentiellen Zellausfall ausgeben, der auf dem Multiplikationsfaktor basiert, der jede geeignete Analyse von abgelegten Multiplikationsfaktoren für jeden Fahrzyklus verwendet. Beispielsweise kann das System einen potentiellen Zellausfall indizieren, falls ein Multiplikationsfaktor oberhalb von 30 für eine bestimmte Zahl von aufeinander abfolgenden Fahrzyklen abgelegt wird.
-
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Detektieren möglicher Ausfälle von Membranen in Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels 12 in der oben diskutierten Art und Weise. Während eines Fahrzyklus oder während dem Betrieb eines Brennstoffzellensystems scanned der Algorithmus eine maximale Abweichung im Kasten 52, welche dem oben erwähnten Multiplikationsfaktor entspricht. In der Entscheidungsraute 54 bestimmt der Algorithmus, ob die minimale Zellspannung und die Stapelstromdichte beide unterhalb der vorbestimmten Werte gleichzeitig liegen, wie oben erwähnt, und falls dies nicht der Fall ist, kehrt das Verfahren zum Kasten 52 zurück, um weiterhin die maximale Abweichung zu scannen. Falls sowohl die minimale Zellspannung als auch die Stapelstromdichte beide unterhalb der Minimalwerte in der Entscheidungsraute 54 liegen, dann wandelt der Algorithmus sowohl die Werte der Skalierungsfaktoren um, und multipliziert auch diese dann miteinander, um die Abweichung im Kasten 56 zu bekommen. Der Algorithmus vergleicht dann die berechnete Abweichung mit einem Schwellwertmultiplikationsfaktor in der Entscheidungsraute 58 und, falls diese kleiner ist als ein Schwellwertmultiplikationsfaktor, kehrt der Algorithmus zum Kasten 52 zurück, um die Abweichung weiterhin zu scannen. Falls der berechnete Multiplikationsfaktor größer als der Schwellwertmultiplikationsfaktor in der Entscheidungsraute 58 ist, dann inkrementiert der Algorithmus einen Zähler im Kasten 60 und legt den Multiplikationsfaktor ab. Der Algorithmus bestimmt dann, ob der Zähler oberhalb eines Zählergebnisses in der Entscheidungsraute 62 ist und falls dies nicht der Fall ist, kehrt der Algorithmus zum Kasten 52 zurück, um weiterhin zu scannen, da die Abweichung nicht häufig genug aufgetreten ist. Falls der Zähler den Schwellwert in der Entscheidungsraute 62 überschreitet, was bedeutet, dass ein häufiges Auftreten einer minimalen Abweichung überschritten wurde, setzt der Algorithmus dann einen Diagnosefehlercode für einen Membranausfall im Kasten 64 fest.
-
Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann auf dem Gebiet kann leicht aus dieser Diskussion und den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei Geist und Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert wird.
