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Die Erfindung ist gebildet durch ein Verfahren zum Betreiben einer eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneter Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte des Erfassens der Zellspannung einer Mehrzahl der Brennstoffzellen mittels einer Zellspannungsüberwachung, des Bestimmens der mittleren Zellspannung aller gemessenen Brennstoffzellen und der niedrigsten gemessenen Zellspannung, des Bestimmens des Verhältnis zwischen der niedrigsten Zellspannung und der mittleren Zellspannung und für den Fall des Unterschreitens eines Grenzwertes URATIO Wechsel in einen BetriebmodusTrocken, in dem der Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Niederlastbereich verboten ist und die über den aktuellen Bedarf hinaus zur Verfügung gestellte Leistung zur Ladung einer Batterie genutzt wird.
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In einer Brennstoffzellenvorrichtung sind in der Regel mehrere Brennstoffzellen linear zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, um eine ausreichend große Leistungsabgabe zu ermöglichen. Die randständigen Brennstoffzellen an den Enden des Brennstoffzellenstapels sind dabei durch den thermischen Kontakt zur Umgebung grundsätzlich kälter als die Brennstoffzellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapel. Die niedrigere Temperatur führt zu einer erhöhten Kondensation in den Gasversorgungskanälen, die zur Versorgung der Anodenräume und der Kathodenräume mit den Reaktanten erforderlich sind. Diese Kondensation von Flüssigwasser führt dazu, dass die betroffenen Brennstoffzellen schlechter mit Reaktanten versorgt werden, so dass die Zellspannung der betroffenen Brennstoffzellen abfällt. Dieser Effekt ist in der 1 dargestellt. Dieser nachteilige Effekt des Ansammelns von Flüssigwasser in den betroffenen Brennstoffzellen ist besonders stark ausgeprägt, wenn nur geringe Volumenströme durch die Gasversorgungskanäle strömen, so dass sich in den randständigen Brennstoffzellen kontinuierlich Flüssigwasser ansammelt. Eine Erhöhung des Volumenstromes ist dabei aber keine effektive Hilfe, da aufgrund des in einzelnen Brennstoffzellen präsenten Flüssigwassers eine ungünstige Druck- und Volumenstromverteilung vorliegt, weil in Brennstoffzellen mit einem niedrigeren Wassergehalt und einem niedrigen Druckverlust die Volumenströme der Reaktanten auf weniger Widerstand stoßen und damit verstärkt dieses Weg suchen, so dass sogar in Brennstoffzellen mit einem niedrigen Wassergehalt mehr Flüssigwasser ausgetragen wird.
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In der
DE 10 2015 118 972 A1 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem eine Zellenspannungsdifferenz zwischen einer mittleren Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung ermittelt wird. Ist diese Zellenspannungsdifferenz größer als ein Grenzwert, wird die Durchflussmenge von Brenngas und Oxidationsgas erhöht, wodurch in Folge der erhöhten Leistungserzeugungsmenge viel Wasser erzeugt wird, und zwar insbesondere in den Brennstoffzellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels und weniger in den randständigen Brennstoffzellen, so dass sich der Wassergehalt ausgleicht und in Folge der erhöhten Durchflussmenge von Brenngas und Oxidationsgas das angesammelte Wasser leichter ausgetragen werden kann.
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Die
DE 10 2011 107 183 A1 offenbart ein Verfahren zur Vorhersage der minimalen Zellspannung aus dem diskreten minimalen Zellenspannungsausgang einer Stapelfunktionszustandsüberwachungseinrichtung, die insbesondere auch anzeigt, wann ein vorbestimmtes minimales Zellenspannungsschwellenniveau erreicht wird. Das System umfasst einen Controller, der ausgebildet ist, um den Brennstoffzellenstapel zu steuern, wobei der Controller die durchschnittliche Brennstoffzellenspannung bestimmt und speichert.
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Die
US 2011/0217611 A1 erläutert die Möglichkeit zur Bestimmung des Wassergehaltes in einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei eine Bestimmungseinheit zur Bestimmung verbleibendes Wasser auch den Wassertransfer zwischen der Anode und der Kathode über die Elektrolytmembran berücksichtigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem der Spannungsabfall in den randständigen Brennstoffzellen aufgrund kondensierten Wassers verringert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erkenntnis und schließt diese mit ein, dass ein Abfall der Einzelzellspannung als Indiz für einen gesteigerten Wassergehalt dieser Brennstoffzelle gewertet werden kann, wobei der Abfall der Zellspannung durch den Vergleich der niedrigsten gemessenen Zellspannung mit der mittleren Zellspannung aller gemessener Brennstoffzellen festgestellt wird, um einen Wechsel des Betriebsmodus zu bewirken, der auf eine Trocknung der durchfeuchteten Brennstoffzellen gerichtet ist durch ein Verbot des Betriebs in einem Niederlastbereich mit einem ungünstigen Verhältnis des Austrags von Flüssigwasser zwischen mit Flüssigwasser belasteten Brennstoffzellen und weniger mit Flüssigwasser belasteten Brennstoffzellen. Der Verbot des Betriebs in einem Niederlastbereich führt dazu, dass über den aktuellen Bedarf hinaus elektrische Leistung durch die Brennstoffzellenvorrichtung bereitgestellt wird, die genutzt wird zum Laden eines Akkumulators, nämlich der der Brennstoffzellenvorrichtung zugeordneten Batterie.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Zellspannung der beiden randständigen Brennstoffzellen und mindestens zweier mittig in dem Brennstoffzellenstapel angeordneter Brennstoffzellen gemessen wird, da so die Brennstoffzellen in die Datenerfassung einbezogen sind, bei denen die thermischen Effekte ihre extreme, also die minimale bzw. maximale Wirkung zeigen, wobei die Berücksichtigung mindestens zweier mittig in dem Brennstoffzellenstapel angeordneter Brennstoffzellen eine übermäßige Gewichtung der beiden randständigen Brennstoffzellen vermeidet.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Zellspannung jeder Brennstoffzelle gemessen wird, wobei zu beachten ist, dass die den randständigen Brennstoffzellen benachbarten Brennstoffzellen die zur Kondensation von Flüssigwasser führenden thermischen Effekten nicht so deutlich spüren wie die randständigen Brennstoffzellen, aber gleichwohl diesen Effekten unterliegen, so dass dadurch der Mittelwert verringert wird, was aber entsprechend bei der Wahl des Grenzwertes berücksichtigt werden kann. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der Grenzwert größer als 0,7 ist und vorzugsweise bei 0,9 liegt. Mit diesen Grenzwerten ist sichergestellt, dass keine zu weitreichend fortschreitende Akkumulation von Flüssigwasser in den Gasvolumenströmungskanälen erfolgt. Dies erfordert gegebenenfalls einen häufigeren Wechsel in den BetriebsmodusTrocken, jedoch ist dessen Dauer dann begrenzt, weil bei Erkennen durch die fortgesetzte Zellspannungsüberwachung, dass der Grenzwert wieder überschritten wird, ein Wechsel aus dem BetriebsmodusTrocken in den Normalmodus mit einer Freigabe des Betriebs im Niederlastbereich erfolgt.
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Zweckmäßig ist es auch, wenn im BetriebsmodusTrocken der Gasvolumenstrom auf der Kathodenseite über den aktuellen Bedarf im BetriebsmodusTrocken erhöht wird zum Austreiben von Flüssigwasser. Gleichfalls besteht auch die Möglichkeit, dass im BetriebsmodusTrocken der Gasvolumenstrom auf der Anodenseite über den aktuellen Bedarf im BetriebsmodusTrocken erhöht wird zum Austreiben von Flüssigwasser. Damit liegt dann eine nochmals weitergehende Erhöhung des Gasvolumenstromes vor, um verstärkt Flüssigwasser auszutreiben. Es ist daher auch sinnvoll, die Erhöhung des Gasvolumenstromes oder der Gasvolumenstöme zeitlich unmittelbar vor dem Wechsel in den Normalmodus zu bewirken, da dann sich die Wasserbelastung in den Brennstoffzellen ausgeglichen hat und dieser zusätzliche Gasstoß besonders wirksam den Wasseraustrag fördert.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Wasserverteilung (V) und der Temperaturverteilung (T) im Brennstoffzellenstapel bei Niederlastbetrieb, mit Angabe der Zellenzahl auf der Abszisse, der Wassermenge (durchgezogene Linie) auf der linken Ordinate und der Zellentemperatur (gepunktete Linie) auf der rechten Ordinate, und
- 2 die Zellspannung in Abhängigkeit von der Zellenzahl.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Bei einem Brennstoffzellenstapel sind die randständigen Brennstoffzellen 1 an den beiden Enden des Brennstoffzellenstapels durch den thermischen Kontakt mit der Umgebung grundsätzlich kälter als die Brennstoffzellen 2 in der Mitte des Brennstoffzellenstapels. Dies bewirkt eine Kondensation von Wasser in den zur Versorgung mit den Reaktanten vorgesehenen Gasversorgungskanälen, so dass die Strömungsquerschnitte für die Reaktanten eingeschränkt sind und in den betroffenen Brennstoffzellen die Zellspannung sinkt. Der Effekt ist dabei besonders in einem Niederlastbetrieb ausgeprägt, da aufgrund geringer Gasvolumenströme auch der Austrag von Flüssigwasser und die Druck- und Volumenstromverteilung verschlechtert ist. Es sammelt sich damit in den randständigen Brennstoffzellen 1 kontinuierlich Flüssigwasser an. Sofern beim Starten einer Brennstoffzellenvorrichtung Froststartbedingungen vorliegen, besteht die Gefahr, dass in dem durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel die Gasversorgungskanäle zum Zuführen der Reaktanten durch Eis blockiert werden.
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In der 1 ist die Wirkung des thermischen Effektes dargestellt, der sich aus dem Kontakt der randständigen Brennstoffzellen 1 zur Umgebung ergibt, der dazu führt, dass die randständigen Brennstoffzellen 1 grundsätzlich kälter sind als Brennstoffzellen 2 in der Mitte des Brennstoffzellenstapels. Um den damit verbundenen Problemen zu begegnen, wird mittels einer Zellspannungsüberwachung die Zellspannung einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, insbesondere der randständigen Brennstoffzellen 1 und zweier Brennstoffzellen 2 aus der Mitte des Brennstoffzellenstapels gemessen. Sodann wird eine mittlere Zellspannung aller gemessenen Brennstoffzellen bestimmt und die niedrigste gemessene Zellspannung, um diese in ein Verhältnis zu setzen. Bei Unterschreiten eines Grenzwertes URATIO erfolgt ein Wechsel in einen BetriebsmodusTrocken, in dem der Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Niederlastbereich verboten ist und die über den aktuellen Bedarf hinaus zur Verfügung gestellte Leistung zum Laden einer Batterie genutzt wird. Der Grenzwert ist dabei größer als 0,7 und liegt vorzugsweise bei 0,9.
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Im BetriebsmodusTrocken wird die Zellspannungsüberwachung fortgesetzt, so dass bei Erkennen durch die fortgesetzte Zellspannungsüberwachung, dass der Grenzwert wieder überschritten wird, ein Wechsel zurück in den Normalmodus erfolgt mit einer Freigabe des Betriebs im Niederlastbereich, wobei unmittelbar vor dem Wechsel in den Normalmodus auch eine Erhöhung des Gasvolumenstromes sowohl für die Anodenseite als auch die Kathodenseite erfolgen kann, um verstärkt Flüssigwasser auszutreiben.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- randständige Brennstoffzelle
- 2.
- Brennstoffzelle in der Mitte
- 3.
- Wasserverteilung
- 4.
- Zellentemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015118972 A1 [0003]
- DE 102011107183 A1 [0004]
- US 2011/0217611 A1 [0005]
