DE112005003300T5

DE112005003300T5 - Reduzierung eines Spannungsverlusts, der durch ein Pendeln der Spannung bewirkt wird, durch Verwendung einer wiederaufladbaren elektrischen Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE112005003300T5
Application number: DE112005003300T
Authority: DE
Inventors: Bernd Krause
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2005-01-04
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2025-11-01
Also published as: JP2008527648A; CN100585940C; WO2006073545A1; CN101095257A; US20060147770A1; DE112005003300B4

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einem Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist;
einer ergänzenden Leistungsquelle, die elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist; und
einem Leistungscontroller, wobei der Controller den Leistungsausgang des Brennstoffzellenstapels und der ergänzenden Leistungsquelle dadurch steuert, dass die Leistungsquelle als eine Last an dem Stapel verwendet wird, um eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten Oxidationsschwelle zu halten.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das eine ergänzende Leistungsquelle verwendet, und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine ergänzende Leistungsquelle verwendet, wobei das Brennstoffzellensystem eine Leistungssteuerstrategie verwendet, bei der die Batterie Leistung von dem Brennstoffzellenstapel bei einer Niedriglastanforderung von dem Brennstoffzellensystem zieht, um diejenigen Zeiten, in denen das Spannungspotential des Stapels über eine vorbestimmte Spannung hinaus geht, was ein Pendeln der Spannung bewirkt, zu verhindern oder zu reduzieren.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Leistungsquelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen erzeugen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.
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 Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen 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. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. 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. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung wie auch eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel 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 Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Bestimmte Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel eine ergänzende Leistungsquelle, wie eine DC-Batterie oder einen Superkondensator, verwenden. Der Brennstoffzellenstapel liefert Leistung an einen Traktionsmotor durch eine DC-Spannungsbusleitung für den Fahrzeugbetrieb. Die Batterie liefert ergänzende Leistung an die Spannungsbusleitung während derjenigen Zeiten, wenn zusätzliche Leistung über die hinaus erforderlich ist, die der Stapel bereitstellen kann, wie bei einer Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel eine Leistung von 70 kW bereitstellen. Jedoch kann eine Fahrzeugbeschleunigung eine Leistung von 100 kW erfordern. Die Generatorleistung, die von dem Traktionsmotor während des regenerativen Bremsens verfügbar ist, wird typischerweise dazu verwendet, die Batterie wieder aufzuladen.
Es ist herausgefunden worden, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel einen Spannungsverlust oder eine Spannungsdegradation über die Lebensdauer des Stapels aufweist. Es wird angenommen, dass die Degradation des Brennstoffzellenstapels unter anderem ein Ergebnis eines Pendelns der Spannung des Stapels ist. Das Pendeln der Spannung tritt auf, wenn die Platinkatalysatorpartikel, die dazu verwendet werden, die elektrochemische Reaktion zu fördern, zwischen einem oxidierten Zustand und einem nicht oxidierten Zustand wechseln, was ein Lösen der Partikel zur Folge hat. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels kleiner als etwa 0,8 Volt ist, werden die Platinpartikel nicht oxidiert und bleiben ein Metall. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels über etwa 0,8 Volt geht, beginnen die Platinkristalle zu oxidieren. Eine niedrige Last an dem Stapel kann bewirken, dass der Spannungsausgang des Brennstoffzellenstapels über 0,8 Volt geht. Die 0,8 Volt entsprechen abhängig von der Energiedichte der MEA einer Stromdichte von 0,2 A/cm², wobei eine Stromdichte oberhalb dieses Wertes den Platinoxidationszustand nicht ändert. Die Oxidationsspannungsschwelle kann für verschiedene Stapel und verschiedene Katalysatoren verschieden sein.
Wenn die Platinpartikel zwischen einem Metallzustand und einem oxidierten Zustand wechseln, können sich die oxidierten Ionen in dem Platin von der Oberfläche der MEA in Richtung zu der Membran und wahrscheinlich in die Membran bewegen. Wenn sich die Partikel zurück in den Metallzustand umwandeln, befinden sie sich nicht mehr in einer Position, die elektrochemische Reaktion zu unterstützen, wodurch die aktive Katalysatoroberfläche reduziert wird und die Folge die Spannungsdegradation des Stapels ist.
1 ist ein Diagramm mit einer Anzahl von Pendelvorgängen bzw. Zyklen der Spannung an der horizontalen Achse und einer normalisierten Platinoberfläche an der vertikalen Achse, das zeigt, dass, wenn die Anzahl von Pendelvorgängen der Spannung zwischen dem Oxidationszustand und dem Metallzustand zunimmt, die Platinoberfläche abnimmt, was die Spannungsdegradation des Stapels zur Folge hat. Die Degradation ist für verschiedene Typen von Katalysatoren verschieden, die Katalysatoren verschiedener Partikelgrößen, -konzentrationen und -zusammensetzungen aufweisen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Brennstoffzellenstapel und eine ergänzende Leistungsquelle, wie eine Batterie, einen Ultrakondensator oder eine beliebige andere wiederaufladbare elektrische Leistungsquelle verwendet. Die ergänzende Leistungsquelle liefert ergänzende Leistung zusätzlich zu der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels für Hochlastanforderungen, wie bei der Fahrzeugbeschleunigung. Das Brennstoffzellensystem weist einen Leistungsmanagementcontroller auf, der den Leistungsausgang von der ergänzenden Leistungsquelle und dem Brennstoffzellenstapel steuert, wenn sich die Anforderung an dem Brennstoffzellenstapel ändert. Bei Niedriglastbedingungen, bei denen die Spannung des Brennstoffzellenstapels über ein Potential ansteigen kann, das eine Oxidation von Platinkatalysatorpartikeln in den Brennstoffzellen in dem Stapel bewirken könnte, bewirkt der Leistungsmanagementcontroller, dass der Brennstoffzellenstapel die Leistungsquelle lädt, um so die Last an dem Stapel zu erhöhen und die Spannung des Stapels zu verringern, um ein Pendeln der Spannung und damit eine Spannungsdegradation zu verhindern.
Bei einer Ausführungsform sieht der Leistungsmanagementcontroller ein Steuerschema vor, mit dem die Leistungsquelle dazu verwendet werden kann, Leistung an das Traktionssystem des Fahrzeugs zu Beginn der Leistungsanforderung zu liefern, so dass der Ladezustand der Leistungsquelle niedrig genug ist, um dazu verwendet zu werden, bei Niedriglastbedingungen anschließend Leistung von dem Brennstoffzellenstapel zu ziehen.
Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaubild mit einer Anzahl von Pendelvorgängen bzw.
Zyklen der Spannung an der horizontalen Achse und einer Platinoberfläche an der vertikalen Achse, das die Beziehung zwischen einem Pendeln der Spannung und der Verringerung der Platinoberfläche in einer Brennstoffzelle zeigt; und
2 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, wobei das System eine ergänzende Leistungsquelle verwendet, die durch einen Brennstoffzellenstapel während eines Niedriglastbetriebs geladen wird, um ein Pendeln der Spannung zu verhindern oder zu reduzieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gerichtet ist, das eine ergänzende Leistungsquelle verwendet, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschranken. Beispielsweise besitzt die nachfolgende Beschreibung für das Brennstoffzellensystem die spezielle Anwendung, um Leistung in einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug bereitzustellen. Jedoch kann das Brennstoffzellensystem der Erfindung andere Anwendungen und Verwendungen haben.
1 ist ein Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10 für ein Fahrzeug. Das Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug, da es sowohl einen Brennstoffzellenstapel 12 als auch eine ergänzende Leistungsquelle 14 aufweist. Die ergänzende Leistungsquelle 14 kann eine beliebige geeignete Quelle sein, wie eine Batterie, ein Ultrakondensator, etc., die wiederaufladbar ist und zusätzliche Leistung bereitstellt, um das Fahrzeug zu betreiben, wenn die Last an dem Brennstoffzellenstapel 12 jenseits seiner Leistungsfähigkeiten liegt, wie bei der Beschleunigung. Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Leistungsmanagementcontroller 16 auf, der Ladezustandsinformation von der Leistungsquelle 14 und Ausgangsspannungen von jeder Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 12 aufnimmt. Der Leistungsmanagementcontroller 16 nimmt auch Lastanforderungen von den Fahrzeugsystemen auf, um so den richtigen Leistungsausgang von der Leistungsquelle 14 und dem Brennstoffzellenstapel 12 vorzusehen und damit die Anforderungen zu erfüllen.
Die ergänzende Leistungsquelle 14 und der Brennstoffzellenstapel 12 liefern eine Ausgangsleistung an ein elektrisches Fahrzeugtraktionssystem 20 auf einem Spannungsbus 22. Das Traktionssystem 20 sieht eine Rotation der Fahrzeugräder 24 und 26 vor. Das elektrische Traktionssystem 20 kann ein beliebiges geeignetes elektrisches Traktionssystem für ein Fahrzeug dieses Typs sein und würde wahrscheinlich einen AC-Synchronmotor und einen Stromumrichter aufweisen, wie es dem Fachmann gut bekannt ist. Der Leistungsmanagementcontroller 16 steuert auch einen Schalter 28 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und dem Spannungsbus 22 und einen Schalter 30 zwischen der Leistungsquelle 14 und dem Spannungsbus 22, so dass der Brennstoffzellenstapel 12 und die Leistungsquelle 14 von dem Spannungsbus 22 getrennt werden können. Wenn daher das elektrische Traktionssystem 20 dazu verwendet wird, die Leistungsquelle 14 während einem regenerativen Bremsen wiederaufzuladen, kann der Brennstoffzellenstapel 12 von dem Bus 22 getrennt werden. Wenn die Leistungsquelle 14 vollständig geladen ist, kann die Leistungsquelle 14 von dem Bus 22 während einem regenerativen Bremsen ebenfalls getrennt werden. Die Lieferung von Leistung an das Traktionssystem 20 ist lediglich ein Beispiel einer Anwendung für das Brennstoffzellensystem 10. Das Brennstoffzellensystem 10 kann Leistung an eine beliebige geeignete Vorrichtung liefern.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist auch einen Wasserstoffspeichertank 32 auf, der Wasserstoff für den Brennstoffzellenstapel 12 als den Anodeneingang bereitstellt, wie es in der Technik gut bekannt ist. Der Wasserstoffspeichertank 32 kann ein Tieftemperaturtank, der flüssigen Wasserstoff speichert, oder ein Druckgastank sein, der komprimiertes Wasserstoffgas speichert. Alternativ dazu kann der Wasserstoffspeichertank 32 durch einen Reformer, der Wasserstoff erzeugt, ersetzt werden.
Gemäß der Erfindung steuert der Leistungsmanagementcontroller 16 den Brennstoffzellenstapel 12 und die ergänzende Leistungsquelle 14 in Kombination, um ein Pendeln der Stapelspannung zu reduzieren oder zu beseitigen. Insbesondere versucht der Controller 16 zu verhindern, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 über eine Spannungspotentialschwelle geht, bei der die Platinkatalysatorpartikel in den MEAs der verschiedenen Brennstoffzellen in dem Stapel 12 oxidieren. Bei einer Ausführungsform beträgt dieses Spannungspotential, oberhalb dem die Partikel zu oxidieren beginnen, etwa 0,8 V, was einer Zellenstromdichte von etwa 0,2 A/cm² entspricht. Wenn die Anforderung an den Brennstoffzellenstapel 12 niedrig genug ist, um zu bewirken, dass das Spannungspotential über die Oxidationsschwelle geht, bewirkt der Leistungsmanagementcontroller 16, dass der Brennstoffzellenstapel 12 mit der ergänzenden Leistungsquelle 14 elektrisch gekoppelt wird, um die Leistungsquelle 14 als eine Last wiederaufzuladen.
Selbstverständlich kann der Brennstoffzellenstapel 12 die ergänzende Leistungsquelle 14, wenn sie bereits vollständig geladen ist, nicht laden. Daher verwendet der Leistungsmanagementcontroller 16 ein Steuerschema, mit dem der Ladezustand der Leistungsquelle 14 unterhalb eines vollständigen Ladezustands gehalten wird. Wenn die Leistungsquelle 14 sich bei oder nahe einem vollständigen Ladezustand befindet, wird der elektrische Ausgang der Leistungsquelle 14 dazu verwendet, das Traktionssystem 20 zu betreiben. Sobald die Leistungsquelle 14 bis zu einem bestimmten Ladezustand entladen worden ist, erlaubt dann der Leistungsmanagementcontroller 16, dass der Brennstoffzellenstapel 12 die Leistungsquelle 14 während derjenigen Zeiten lädt, wenn die Anforderung zur Folge hätte, dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 12 über die Oxidationsschwelle geht. Wenn beispielsweise das Fahrzeug anfänglich beschleunigt wird, kann die Leistungsquelle 14 dazu verwendet werden, Leistung an das Traktionssystem 20 zu liefern. Wenn das Fahrzeug gestoppt wird, wie an einer Ampel, wo die Stapellast niedrig ist, kann eine zusätzliche Last an dem Stapel 12 vorgesehen werden, um die Batterie 16 zu laden und damit die Spannung an dem Stapel unter der Oxidationsschwelle zu halten.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Fachleute werden leicht aus einer solchen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
Zusammenfassung
Ein Brennstoffzellensystem (10), das einen Brennstoffzellenstapel (12) und eine ergänzende Leistungsquelle (14), wie eine Batterie oder einen Ultrakondensator, verwendet. Die Leistungsquelle (14) liefert ergänzende Leistung zusätzlich zu der Ausgangsleistung eines Brennstoffzellenstapels (12) für Hochlastanforderungen. Das Brennstoffzellensystem (10) weist einen Leistungsmanagementcontroller (16) auf, der den Leistungsausgang von der ergänzenden Leistungsquelle (14) und dem Brennstoffzellenstapel (12) steuert, wenn sich die Anforderung an dem Brennstoffzellenstapel (12) ändert. Bei Niedriglastanforderungen, bei denen die Spannung über den Brennstoffzellenstapel (12) über ein Potential ansteigen kann, das eine Oxidation von Platinkatalysatorpartikeln in den Brennstoffzellen in dem Stapel bewirken könnte, bewirkt der Leistungsmanagementcontroller (16), dass der Brennstoffzellenstapel (12) die ergänzende Leistungsquelle (14) lädt, um so den Spannungsausgang an dem Stapel zu verringern.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist; einer ergänzenden Leistungsquelle, die elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist; und einem Leistungscontroller, wobei der Controller den Leistungsausgang des Brennstoffzellenstapels und der ergänzenden Leistungsquelle dadurch steuert, dass die Leistungsquelle als eine Last an dem Stapel verwendet wird, um eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten Oxidationsschwelle zu halten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Oxidationsschwelle diejenige Schwelle ist, bei der Platinkatalysatorpartikel in den Brennstoffzellen zu oxidieren beginnen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Oxidationsschwelle etwa 0,8 Volt beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller ein Steuerschema verwendet, das ein Pendeln der Spannung des Stapels reduziert oder beseitigt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Leistungsquelle aus der Gruppe gewählt ist, die Batterien und Kondensatoren umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel und die ergänzende Leistungsquelle eine Ausgangsleistung vorsehen, um ein elektrisches Traktionssystem an einem Fahrzeug zu betreiben.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist; einer ergänzenden Leistungsquelle; und einem Controller zur Steuerung des Leistungsausgangs des Brennstoffzellenstapels und der ergänzenden Leistungsquelle, wobei der Controller den Brennstoffzellenstapel bei niedrigen Lastanforderungen mit der Leistungsquelle elektrisch koppelt, um ein Pendeln der Spannung des Brennstoffzellenstapels zu reduzieren oder zu verhindern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei das Pendeln der Spannung als diejenige Spannung definiert ist, bei der Platinkatalysatorpartikel in den Brennstoffzellen zu oxidieren beginnen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Oxidationsspannung etwa 0,8 Volt beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Leistungsquelle aus der Gruppe gewählt ist, die Batterien und Kondensatoren umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der Brennstoffzellenstapel und die ergänzende Leistungsquelle eine Ausgangsleistung vorsehen, um ein elektrisches Traktionssystem an einem Fahrzeug zu betreiben.
Verfahren zum Steuern des Leistungsausgangs eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Ausgangsleistung von einem Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel aus Brennstoffzellen aufweist, bereitgestellt wird; eine Ausgangsleistung von einer ergänzenden Leistungsquelle bereitgestellt wird; und der Leistungsausgang des Brennstoffzellenstapels und der ergänzenden Leistungsquelle gesteuert werden, um so eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel unter einer vorbestimmten Oxidationsschwelle zu halten.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Oxidationsschwelle diejenige Schwelle ist, bei der Platinkatalysatorpartikel in den Brennstoffzellen zu oxidieren beginnen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Oxidationsschwelle etwa 0,8 Volt beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Steuern des Leistungsausgangs des Brennstoffzellenstapels und der ergänzenden Leistungsquelle umfasst, das ein Pendeln der Spannung des Stapels reduziert oder beseitigt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen von Ausgangsleistung von einer ergänzenden Leistungsquelle umfasst, dass Ausgangsleistung von einer ergänzenden Leistungsquelle, die aus der Gruppe gewählt ist, die Batterien und Kondensatoren umfasst, bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bereitstellen von Ausgangsleistung von einem Brennstoffzellenstapel und einer ergänzenden Leistungsquelle umfasst, dass Ausgangsleistung bereitgestellt wird, um ein elektrisches Traktionssystem an einem Fahrzeug zu betreiben.