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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eine Ladesteuerung für das Brennstoffzellensystem zum Speichern von über eine Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie in einem Bleiakkumulator und zum Bereitstellen dieser nach Außen.
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Hitergrund der Erfindung
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In mobilen Geräten, wie Mobiltelefonen, tragbaren Computern, Digitalkameras, etc., mit einer hohen Leistungsfähigkeit werden sehr wahrscheinlich bald mit einer Polymerelektrolytmembran ausgestattete Polymerelektrolytbrennstoffzellen als Energiequelle eingesetzt. Unter die nachstehend einfach nur als „Brennstoffzelle” bezeichneten Polymerelektrolytbrennstoffzellen fallen auch Direktoxidationsbrennstoffzellen, in denen als Brennstoff ein flüssiger Brennstoff wie Methanol direkt zur einer Anode geleitet wird. Diese eignen sich für kleinformatige und leichtgewichtige Anwendungen, weshalb ihre Entwicklung als Energiequellen für tragbare Geräte oder als Energieerzeugungsgeräte vorantrieben wird.
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Darüber hinaus zeichnet sich ab, dass Brennstoffzellen auch als Energiequellen in mittelgroßen Energieerzeugungsvorrichtungen, in denen eine geringe Geräuschentwicklung gewünscht ist, allgemeine Verwendung finden werden, weil sie einen hohen Wirkungsgrad besitzen und gegenüber gewöhnlichen Stromgeneratoren nur wenig Geräusche und Vibrationen verursachen. Beispielsweise wird die Verwendung von Brennstoffzellen in Energieerzeugungsvorrichtungen im Outdoor Activity-Bereich untersucht. Aufgrund der geringen Geräuschentwicklung, können Brennstoffzellen bei der elektrischen Energieerzeugung nahe an Wohnhäusern auch zu Nachtzeiten verwendet werden. Ferner kann die Menge an mitzunehmendem Brennstoff bedingt durch den hohen Wirkungsgrad auf ein Minimum gesenkt werden.
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Um die mit Brennstoffzellen erzeugte elektrische Energie wirkungsvoll zu nutzen, sollten in Energieerzeugungsvorrichtungen mit Brennstoffzellen Ersatzbatterien eingesetzt werden, weil bei einer Brennstoffzelle einerseits der Wirkungsgrad der Energieerzeugung zwischen Betriebsbeginn und Erreichen eines stabilen Arbeitspunktes mangelhaft ist und sich andererseits während der Energieerzeugung bei Lastwechseln die Menge an zu erzeugender Elektrizität nur langsam ausregeln lässt.
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Als in Brennstoffzellensystemen eingesetzte Ersatzbatterien können im Falle von mittelgroßen elektrischen Energieerzeugungsvorrichtungen beispielsweise für den Outdoor Activity-Bereich Bleiakkumulatoren eingesetzt werden. Ersatzbatterien auf Lithium-Ionen Basis oder dergleichen mit beispielsweise hohen Kapazitäten und Energiedichten sind hier nicht notwendig, weil bei mittelgroßen Energieerzeugungsvorrichtungen der Trend zur Miniaturisierung im Vergleich zu Energieerzeugungsvorrichtungen von tragbaren elektrischen Geräten wie Mobiltelefonen weniger groß ist, so dass von einer kostengünstigeren Verwendung von Bleiakkumulatoren ausgegangen werden kann.
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Bleiakkumulatoren weisen zwar keinen Memory-Effekt auf, bei Tiefenentladungen reduziert sich ihre Leistungsfähigkeit jedoch schnell. Eine gehäufte Verwendung in dieser Form kann ihre Unbrauchbarkeit zur Folge haben. Daher sollten Bleiakkumulatoren zur Vermeidung von Tiefenentladungen nach dem Gebrauch sofort aufgeladen werden, um eine stets hohe Ladekapazität zu gewährleisten.
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Hierzu schlagen beispielsweise die Druckschrift 1 und Druckschrift 2 für herkömmliche Brennstoffzellensysteme, in denen über eine Brennstoffzelle ein Bleiakkumulator aufgeladen wird, vor, den Bleiakkumulator mit einem konstanten elektrischen Ladestromstrom und einer konstanten elektrischen Ladespannung aufzuladen.
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Patentliteratur
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- Druckschrift 1: JP 2006-005979 A
- Druckschrift 2: JP 2006-236610 A
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Übersicht zur Erfindung
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Aufgabe der Erfindung
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Soll Bleiakkumulator aber mit einer Brennstoffzelle als Energiequelle voll aufgeladen werden, birgt das Aufladen des Bleiakkumulators bis zum vollen Ladestand nur mit einem normalen konstanten elektrischen Ladestrom und einer konstanten elektrischen Ladespannung Schwierigkeiten. Bei einem konstanten elektrischen Ladestrom steigt mit dem Ladefortschritt die elektrische Batteriespannung (Ladespannung) an. Daher wird mit dem Ladefortschritt bei einem konstanten elektrischen Ladestrom die an der Brennstoffzelle wirkende Last ständig größer. Überschreitet die an der Brennstoffzelle wirkende Last dabei eine bestimmte Leistungsabgabe, sinkt der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung stark. Um dies zu vermeiden, sollte eine Brennstoffzelle verwenden werden, die die bestimmte Leistungsabgabe übersteigt, was jedoch den Nachteil steigender Kosten der elektrischen Energieerzeugungseinrichtung mit sich bringt.
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Soll dieser Nachteil vermieden werden, muss bei der Verwendung eines konstanten elektrischen Ladestromstrom und einer konstanten elektrischen Ladespannung zum elektrischen Laden der konstante elektrische Ladestrom zu einem früheren Zeitpunkt abgeschaltet und auf eine konstante elektrische Ladespannung gewechselt werden. Je größer jedoch der Anteil der konstanten elektrischen Ladespannung an der zum Aufladen auf einen vollen Ladezustand notwendigen elektrischen Energiemenge ist, desto länger dauert die Ladezeit. Aus den zuvor genannten Kostengründen, im Rahmen derer die Kosten der Energieerzeugungseinrichtung gesenkt werden sollen, ist zum Laden eines Bleiakkumulators über eine Brennstoffzelle bis zu einem vollen Ladezustand ein langer Zeitraum notwendig. Folglich kann der Bleiakkumulator nicht stets bis zu einem vollen Ladestand aufgeladen werden. Im Ergebnis lässt sich daher die zyklische Lebensdauer von Bleiakkumulatoren nur schwer erhöhen. Ferner ist bei einer konstanten elektrischen Ladespannung die zum Aufladen notwendige elektrische Energiemenge sehr klein. Beim Aufladen des Bleiakkumulators mit einer konstanten elektrischen Ladespannung mit elektrischer Energie aus einer Brennstoffzelle sinkt daher auch der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
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Unabhängig davon kann in einer Brennstoffzelle die elektrische Leistung aus der elektrischen Energieerzeugung sinken (siehe 5), wenn nach dem Start der elektrischen Energieerzeugung und dem Einschwingen auf einen stabilen elektrischen Energieerzeugungszustand eine gewisse Zeit vergangen ist. Die Ursache dafür ist nicht ganz klar, aber im Oxidationsmittelkanal zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel oder im Brennstoffkanal zur Versorgung mit Brennstoff sammelt sich bei der elektrischen Energieerzeugung entstehendes Wasser an, wodurch eine Ursache in einem Anstieg des Strömungswiderstandes liegen könnte. Daher sollte die elektrische Energieerzeugung einer Brennstoffzelle nach einer gewissen Zeit nach dem Starten der elektrischen Energieerzeugung unterbrochen und ein Resetvorgang durchgeführt werden, im Rahmen dessen der Oxidationsmittelkanal vom verstopfenden Wasser oder dergleichen befreit wird.
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Jedoch ist bei einer Brennstoffzelle, wie weiter oben ausgeführt, zwischen dem Start der elektrischen Energieerzeugung und dem Erreichen eines stabilen elektrischen Energieerzeugungszustandes der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung reduziert. Die Brennstoffzelle sollte daher beispielsweise zum Laden des Bleiakkumulators einmal gestartet und ihr Betrieb bis zum Abschluss des Ladens des Bleiakkumulators ohne anzuhalten fortgesetzt werden, um einen reduzierten Wirkungsgrad aufgrund eines wiederholten Startens und Stoppens der Brennstoffzelle zu vermeiden.
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Mittel im Lösen der Aufgabe
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Ladeverfahren für ein eine Brennstoffzelle und einen Bleiakkumulator umfassendes Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, den zuvor genannten Bleiakkumulator mit aus der zuvor genannten Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie aufzuladen, umfassend:
- (i) einen Schritt zum Versorgen der zuvor genannten Brennstoffzelle mit einer ersten Durchflussmenge AQ an Oxidationsmittel,
- (ii) einen Schritt zum Versorgen der zuvor genannten Brennstoffzelle mit einer zweiten Durchflussmenge FQ an Brennstoff,
- (iii) einen Schritt zum Laden des zuvor genannten Bleiakkumulators mit der aus der zuvor genannten Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie durch Konstanthalten eines elektrischen Leistungsabgabestromes If aus der zuvor genannten Brennstoffzelle,
- (iv) einen Schritt zum Einstellen eines Ladestromes Ib des zuvor genannten Bleiakkumulators in Abhängigkeit einer Batteriespannung Eb des zuvor genannten Bleiakkumulators,
- (v) einen Schritt zum Einstellen des elektrischen Leistungsabgabestromes If aus der zuvor genannten Brennstoffzelle derart, dass eine elektrische Leistungsabgabespannung Ef der zuvor genannten Brennstoffzelle über einem unteren Grenzspannungswert DE bleibt, wenn die zuvor genannte elektrische Leistungsabgabespannung Ef durch eine Verringerung der aus der zuvor genannten Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie unterhalb des vorbestimmten Grenzspannungswertes DE fällt, und
- (vi) einen Schritt zum (n – 1)-maligen Reduzieren des zuvor genannten elektrischen Leistungsabgabestromes auf einen ersten elektrischen Strom If(1) bis auf einen n-ten elektrischen Strom If(n), wobei n ganzzahlig, größer als 2 und If(1) > If(2) > ... ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem
eine Brennstoffzelle,
einen ersten Stromsensor zum Erfassen eines Leistungsabgabestromes If aus der zuvor genannten Brennstoffzelle,
einen ersten Spannungssensor zum Erfassen einer Leistungsabgabespannung Ef der zuvor genannten Brennstoffzelle,
einen Bleiakkumulator, der über eine aus der zuvor genannten Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie aufladbar ist,
einen an eine Polklemme der zuvor genannten Brennstoffzelle angeschlossenen DC/DC-Konverter, der zum Anpassen des zuvor genannten Leistungsabgabestromes If eingerichtet ist, die zuvor genannte Leistungsabgabespannung Ef zu transformieren und die aus der zuvor genannten Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie an den zuvor genannten Bleiakkumulator auszugeben,
einen zweiten Spannungssensor zum Erfassen einer Batteriespannung Eb des zuvor genannten Bleiakkumulators, und
eine Ladesteuerung zum Einstellen eines Transformationsverhältnisses PS des zuvor genannten DC/DC-Konverters, um einen elektrischen Ladestrom Ib des zuvor genannten Bleiakkumulators in Abhängigkeit von der zuvor genannten Batteriespannung Eb zusammen mit dem zuvor genannten Leistungsabgabestrom If einzustellen,
wobei die zuvor genannte Ladesteuerung eingerichtet ist,
den zuvor genannten Leistungsabgabestrom If konstant und, wenn während des Ladens des zuvor genannten Bleiakkumulators mit der aus der zuvor genannten Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Energie, durch eine Abnahme der zuvor genannten ausgegebenen elektrischen Energie die zuvor genannte Leistungsabgabespannung Ef bis auf einen unteren Grenzspannungswert DE fällt, die zuvor genannte Leistungsabgabespannung Ef über dem unteren Grenzspannungswert DE durch Einstellen des zuvor genannten Transformationsverhältnisses PS zu halten, sowie
das Transformationsverhältnis PS, jedes Mal, wenn die zuvor genannte Leistungsabgabespannung Eb einen ersten oberen Grenzspannungswert ER1 erreicht, durch Reduzieren des zuvor genannten Leistungsabgabestromes If (n – 1)-mal von einem ersten elektrischen Strom If(1) bis zu auf einen n-ten elektrischen Strom If(n) einzustellen, wobei n ganzzahlig, größer als 2 und If(1) > If(2) > ... ist.
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Wirkung der Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung kann von einer Verkürzung der Ladezeit, ohne die Kosten des Brennstoffzellensystems zu erhöhen, einer Verlängerung der Lebensdauer des in dem Brennstoffzellensystem verwendeten Bleiakkumulators und einer Steigerung des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle, wenigstens einer dieser Vorteile erreicht werden.
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Die neuen Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung sind zwar in den angehängten Ansprüchen genannt, der Aufbau, die Wirkungsweise sowie weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung, werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den angehängten Zeichnungen besser verständlich.
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Kurze Erklärung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist eine Schnittdarstellung, die schematisch eine im Brennstoffzellensystem der 1 verwendete Brennstoffzellenzelle zeigt.
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3 ist ein Graph, der eine Übersicht eines Ladevorgangs für das Brennstoffzellensystem der 1 zeigt.
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4 ist ein Graph, der eine Leistungsabgabe aus einer Brennstoffzelle, die in dem Brennstoffzellensystem der 1 verwendet wird, zeigt.
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5 ist ein Graph, der eine zeitliche Veränderung der maximalen aus der Brennstoffzelle der 4 ausgegebenen elektrischen Energie zeigt.
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6 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verfahren des Ladevorgangs in dem Brennstoffzellensystem der 1 zeigt.
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Ausführungsbeispiels zu Ausführung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladeverfahren zum Laden eines Bleiakkumulators mit einer aus einer Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Energie in einem Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle und dem Bleiakkumulator. Das vorliegende Verfahren umfasst (i) einen Schritt zum Versorgen der Brennstoffzelle mit einer ersten Durchflussmenge AQ an Oxidationsmittel, (ii) einen Schritt zum Versorgen der Brennstoffzelle mit einer zweiten Durchflussmenge FQ an Brennstoff, (iii) einen Schritt zum Konstanthalten eines Leistungsabgabestroms If aus der Brennstoffzelle und zum Laden des Bleiakkumulators mit der aus der Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Energie und (iv) einen Schritt zum Einstellen eines Ladestromes Ib des Bleiakkumulators in Abhängigkeit einer Batteriespannung Eb des Bleiakkumulators. Dabei können die erste Durchflussmenge AQ und die zweite Durchflussmenge FQ ausgehend von einem Wert, der beispielsweise einer festgelegten Leistungsabgabe der Brennstoffzelle entspricht, um eine vorbestimmte Menge geringfügig größer eingestellt werden.
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Durch Konstanthalten des Leistungsabgabestromes If der Brennstoffzelle kann der Betriebszustand der Brennstoffzelle stabilisiert und der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung erhöht werden. Mit anderen Worten ist es einfach, die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle hinsichtlich der tatsächlichen Verbrauchsbrennstoffmenge an einem Punkt zu betreiben, an dem bei der elektrischen Energieerzeugung stets eine maximale Leistungsabgabe zumindest annähernd erreicht werden kann. Wie in 4 gezeigt, wird bei der elektrischen Energieerzeugung ein Maximalwert (P1max) der Leistungsabgabe P1 der Brennstoffzelle bei einem vorbestimmten Leistungsabgabestrom If und einer vorbestimmten Leistungsabgabespannung Ef erreicht. Durch Konstanthalten des Leistungsabgabestromes If bei einem entsprechenden Stromwert (zum Beispiel MFI in 4) kann die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle stets an einem Punkt betrieben werden, an dem ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Dabei betreffen der in 4 gezeigte Graph der elektrischen Leistungsabgabe P1 und der entsprechende Graph der Ausgabekennlinie 1 eine Situation, in der die Brennstoffzelle elektrische Energie während der elektrischen Energieerzeugung mit einer festgelegten Leistungsabgabe erzeugt.
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Ferner umfasst die vorliegende Erfindung einen Schritt (v), im Rahmen dessen der Leistungsabgabestrom If derart eingestellt wird, dass die Leistungsabgabespannung Ef oberhalb eines unteren Grenzspannungswertes DE bleibt, wenn die Leistungsabgabespannung Ef der Brennstoffzelle auf einen Abfall der aus einer Brennstoffzelle ausgegebenen elektrischen Energie hin unter den unteren Grenzspannungswert DE sinkt. Wie weiter oben ausgeführt, sinkt die ausgegebene elektrische Energie (siehe 5) wegen einer Verstopfung des Oxidationsmittelkanals mit Wasser oder ähnlicher Ursachen, wenn die Brennstoffzelle gestartet und zu einem gewissen Grad angelaufen ist. Dabei sinkt auch die Menge an verbrauchtem Brennstoff. Wie beispielsweise in 4 gezeigt, ändern sich hierbei die Ausgabeeigenschaften der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung, von der Ausgabekennlinie 1 und dem Graph für die Leistungsabgabe P1 hin zu einer Ausgabekennlinie 2 und einem Graph für eine Leistungsabgabe P2, die in der Figur gestichelt dargestellt sind. Hierbei verschiebt sich auch der Punkt, an dem ein maximaler Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung erreicht werden kann (nachstehend Punkt mit dem maximalen Wirkungsgrad genannt), von P1max hin zu P2max.
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Wird der Leistungsabgabestrom If der Brennstoffzelle bei einem Ausgangswert konstant gehalten und der Bleiakkumulator geladen, sinkt mit einer der fallenden ausgegebenen elektrischen Energie im Ergebnis die Leistungsabgabespannung Ef. In der Folge sinkt auch der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung. Sinkt das Niveau der Leistungsabgabespannung Ef, kann jedoch durch Herabsetzen des Leistungsabgabestromes If in Abhängigkeit hierzu ein hoher Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung aufrechterhalten werden. Mit anderen Worten gibt es einen Umkehrpunkt, ab dem eine Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Energieerzeugung, die durch Einstellen des Leistungsabgabestromes If derart, dass er einer Verschiebung des Wirkungsgradmaximums folgt, erreicht wird, größer ist, als eine durch Konstanthalten des Leistungsabgabestromes If erreichte Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Energieerzeugung. Der untere Grenzspannungswert DE sollte auf Grundlage dieses Umkehrpunktes ausgewählt werden.
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Konkreter gesagt sollte der untere Grenzspannungswert DE derart eingestellt werden, dass eine Differenz zwischen dem unteren Grenzspannungswert DE und einer optimalen Leistungsabgabespannung MFE zu einer vorbestimmten Betriebszeit einen vorbestimmten Spannungswert von 0,01~0,1 V/Zelle nicht überschreitet. Wenn dieser vorbestimmte Spannungswert überschritten wird und die Leistungsabgabespannung Ef sinkt und wenn dabei der Leistungsabgabestrom If beispielsweise bei einem optimalen Leistungsabgabestrom MFI gehalten wird, dann sinkt der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung deutlich. Am Beispiel der Ausgabekennlinie 2 ist ersichtlich, dass der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung nur um den (P2max-PTr) entsprechenden Teil sinkt. Daher kann durch Setzen des unteren Grenzspannungswertes DE der Leistungsabgabespannung Ef auf einen vorbestimmten Spannungswert, bei dem die Differenz zur optimalen Leistungsabgabespannung MFE 0,01~0,1 V/Zelle, besonders bevorzugt 0,05~0,1 V/Zelle beträgt, ein Absinken des Wirkungsgrades der elektrischen Energieerzeugung vermieden werden. Dabei wird als „eine Zelle” eine Brennstoffzelle bezeichnet, wenn diese in einer MEA als einzige ausgerüstet ist. Eine Brennstoffzelle besitzt normalerweise jedoch eine Vielzahl von Zellen, die zwischen Separatoren eingeklemmt und zu einem Zellenstapel geschichtet sind.
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Ferner umfasst die vorliegende Erfindung einen Schritt (vi) zum Herabsetzen des Leistungsabgabestromes If derart, dass eine Batteriespannung Eb des Bleiakkumulators unterhalb einer ersten oberen Grenzspannung ER1 bleibt, wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht. Wie in 3 gezeigt, wird jedes Mal, wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht, der Leistungsabgabestrom If der Brennstoffzelle von einem ersten Strom If(1) bis zu einem n-ten Strom If(n) (n – 1)-mal beispielsweise stufenweise herabgesetzt. Dabei ist n ganzzahlig, größer 2 und If(1) > If(2) > .... Ferner ist der erste Strom If(1) der Leistungsabgabestrom If, wenn die Batteriespannung Eb das erste Mal die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht und weist aus den oben genannten Gründen gegenüber dem Ausgangswert Ifa des Leistungsabgabestromes If eine kleiner werdende Tendenz auf.
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Dabei erhöht sich die Leistungsabgabespannung Ef zum Erreichen eines maximalen Wirkungsgrades der elektrischen Energieerzeugung, oder zumindest nahe daran, von einer ersten Spannung Ef(1) bis zu einer n-ten Spannung Ef(n) stufenweise (n – 1)-mal. Wird in diesem Zusammenhang der Leistungsabgabestrom If stufenweise herabgesetzt, sinken auch die erzeugte elektrische Energie der Brennstoffzelle und die Menge an verbrauchtem Brennstoff stufenweise ab. Als Ergebnis davon sinkt auch der Ladestrom Ib stufenweise. Sinkt der Ladestrom Ib stufenweise, wird, wie in 3 gezeigt, immer wieder synchron mit diesem Timing die Batteriespannung (Ladespannung) Eb zunächst herabgesetzt, die danach wieder ansteigt.
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In der oben ausgeführten Weise kann, wenn die Batteriespannung Eb bis auf die erste obere Grenzspannung ER1 angestiegen ist, durch Absenken des Leistungsabgabestromes If der Brennstoffzelle ein Überschreiten einer vorbestimmten Abgabeleistung der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung vermieden werden. Dadurch kann ein Abfallen des Wirkungsgrades der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung vermieden werden. Deshalb kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht werden. Ferner kann der Bleiakkumulator durch das stufenweise Absenken des Leistungsabgabestromes If bis der Bleiakkumulator voll oder annähernd voll geladen ist, unabhängig von einem Absinken der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle aufgrund der zuvor genannten Verstopfung mit Wasser oder ähnlicher Ursachen mit einem ausreichend hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung aufgeladen werden. Im Ergebnis kann auch auf ein Spannungsladeverfahren verzichtet werden, welches notwendig wäre, um die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle bis auf einen überaus kleinen Leistungswert langsam abzusenken. Auf diese Weise kann der Bleiakkumulator bei einer vergleichsweise kleinen Rate (elektrische Lademenge pro Zeiteinheit) voll aufgeladen werden. Ferner kann vermieden werden, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung aufgrund einer zu geringen erzeugten elektrischen Energie absinkt. Dadurch kann eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der elektrischen Energieerzeugung und eine Verkürzung der Ladezeit realisiert werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann mit dem Herabsetzen des Leistungsabgabestromes If vom ersten Strom If(1) bis auf den n-ten Strom If(n) die erste Durchflussmenge AQ und die zweite Durchflussmenge FQ herabgesetzt werden. Wird der Leistungsabgabestrom If stufenweise vom ersten Strom If(1) bis auf den n-ten Strom If(n) herabgesetzt, kann gemeinsam damit die erste Durchflussmenge AQ und die zweite Durchflussmenge FQ ebenfalls stufenweise herabgesetzt werden. Mit dem Herabsetzen des Leistungsabgabestromes If nimmt die Leistungsabgabespannung Ef zu (3) und die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle ab. Dabei nimmt die zur elektrischen Energieerzeugung verbrauchte Brennstoffmenge und die Oxidationsmittelmenge ebenfalls ab. Folglich kann die Brennstoffversorgungsmenge und die Oxidationsmittelversorgungsmenge reduziert werden. Durch die Reduktion der Brennstoffversorgungsmenge und der Oxidationsmittelversorgungsmenge kann die elektrische Versorgungsenergie für Hilfseinrichtungen, wie zum Beispiel eine Brennstoffpumpe und eine Oxidationsmittelpumpe (Luftpumpe) reduziert werden. Im Ergebnis kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gesteigert werden. Dabei kann zusammen mit der Reduktion des Leistungsabgabestromes If auch eine Konzentration des zur Brennstoffzelle geführten Brennstoffes (Konzentration einer Brennstoff-Wasser-Lösung) gesenkt werden. Auf diese Weise kann ein Brennstoffübertritt vermieden und der Wirkungsgrad der elektrischen Energieerzeugung erhöht werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird, wenn der Leistungsabgabestrom If auf den n-ten Strom If(n) abgefallen ist, der Leistungsabgabestrom If auf dem n-ten Strom If(n) gehalten und der Bleiakkumulator geladen, bis die Batteriespannung Eb eine zweite obere Grenzspannung ERmax erreicht. Dabei ist ERmax > ER1. Auf diese Weise ist es möglich, die mit der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie im Wesentlichen konstant zu halten und mittels dieser erzeugten elektrischen Energie den Bleiakkumulator mit einem im Wesentlichen konstanten Ladestrom Ib aufzuladen (3). Somit ist es möglich, den Bleiakkumulator mit einem vergleichsweise großen Strom voll oder annähernd voll aufzuladen und im Vergleich zu einem Laden beispielsweise mittels einer konstanten Ladespannung den vollen Ladestand innerhalb eines kurzen Zeitraumes zu erreichen.
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Dies erleichtert es, den Bleiakkumulator stets auf einen vollen Ladestand, oder zumindest auf einen nah daran liegenden Ladestand zu halten. Auf diese Weise kann die Lebensdauer des Bleiakkumulators verlängert werden. Im vorliegenden Fall kann im Bleiakkumulator (beispielsweise bei einer Nennspannung von 12 V) die erste obere Grenzspannung ER1 auf eine Spannung von 14,4 ± 0,1 V und die zweite obere Grenzspannung ERmax auf 14,5 V bis 18,0 V (das heißt, ERmax > ER1) gesetzt werden. Dabei kann das Laden, auch wenn die Batteriespannung Eb die zweite oberen Grenzspannung ERmax nicht erreicht, nach eine vorbestimmten Ladezeit mit dem n-ten Strom (n) (beispielsweise 0,25 bis 5 Stunden, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Stunden) auch beendet werden.
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Ferner besitzt der Bleiakkumulator normalerweise im Inneren seines Elektrolyttanks mehrere Zellkammern. In jeder Zellkammer sind ein Elektrodenpaar und ein Elektrolyt aufgenommen. Die einzelnen in den Zellkammern aufgenommenen Elektrodenpaare können in Reihe und/oder parallel miteinander verbunden sein. Wenn daher die Nennspannung 2 V, 4 V, 6 V, etc. beträgt, kann beispielsweise die erste obere Grenzspannung ER1 auf einen Spannungswert von NV·1,2 ± 0,1 V und die zweite obere Grenzspannung ERmax auf einen gegenüber der ersten oberen Grenzspannung ER1 größeren Spannungswert gesetzt werden, der aber kleiner als NV·1,5(V) ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem ersten Stromsensor zum Erfassen eines Leistungsabgabestromes If der Brennstoffzelle, einem ersten Spannungssensor zum Erfassen einer Leistungsabgabespannung Ef der Brennstoffzelle, einen Bleiakkumulator, der über eine aus der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie aufladbar ist, einem an eine Polklemme der Brennstoffzelle angeschlossenen DC/DC-Konverter, der zum Anpassen des Leistungsabgabestromes If eingerichtet ist, die Leistungsabgabespannung Ef zu transformieren und die aus der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie an den Bleiakkumulator auszugeben, einem zweiten Spannungssensor zum Erfassen einer Batteriespannung Eb des Bleiakkumulators und einer Ladesteuerung zum Einstellen eines Transformationsverhältnisses PS des DC/DC-Konverters, um einen elektrischen Ladestrom Ib des Bleiakkumulators in Abhängigkeit von der Batteriespannung Eb zusammen mit dem Leistungsabgabestrom zu steuern.
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Dabei ist die Ladesteuerung eingerichtet, das Transformationsverhältnis PS in der Zeit, in der die Batteriespannung Eb kleiner als die erste obere Grenzspannung ER1 ist, derart einzustellen, dass der Leistungsabgabestrom If konstant bleibt. Sie ist ferner eingerichtet, das Transformationsverhältnis PS derart einzustellen, dass der Leistungsabgabestrom If sinkt, wenn die erzeugte elektrische Energie sinkt und die Leistungsabgabespannung Ef auf den unteren Grenzspannungswert DE abfällt, um die Leistungsabgabespannung Ef über dem unteren Grenzspannungswert DE zu halten, weil die Brennstoffzelle, wie in 5 gezeigt, nach dem Starten der elektrischen Energieerzeugung und dem Erreichen eines stabilen Arbeitspunktes (t0) in ihrer maximalen elektrischen Energieerzeugung langsam sinkt. Durch das Einstellen des Leistungsabgabestromes If kann elektrische Energie hinsichtlich der tatsächlichen Verbrauchsmenge an Brennstoff immer mit dem größten, oder zumindest annähernd größten Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung erzeugt werden.
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Wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht, ist die Ladesteuerung ferner eingerichtet, das Transformationsverhältnis PS derart einzustellen, dass der Leistungsabgabestrom If sinkt, um die Batteriespannung Eb unterhalb der ersten oberen Grenzspannung ER1 zu halten. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Menge an erzeugter elektrischer Energie der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Leistungsabgabe überschreitet. Daher kann vermieden werden, dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei der elektrischen Energieerzeugung sinkt. Dabei kann jedes Mal, wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht, zum (n – 1)-maligen stufenweisen Absenken des Leistungsabgabestromes If von einem ersten Strom If(1) auf einen n-ten Strom If(n) das Transformationsverhältnis PS eingestellt werden. Dabei ist n größer zwei, ganzzahlig und If(1) > If(2) > .... Hierbei wächst die Leistungsabgabespannung Ef von einer ersten Spannung Ef(1) bis auf eine n-te Spannung Ef(n) stufenweise (n – 1)-mal an. Wenn der Leistungsabgabestrom If stufenweise erhöht wird, sinkt die Leistungsabgabespannung Ef zunächst mit dem Ladestrom Ib. Auf diese Weise wird die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle herabgesetzt und die Menge an verbrauchtem Brennstoff sinkt.
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Dabei sollte ein Anfangswert Ifa des Leistungsabgabestromes If zu Beginn des Ladens des Bleiakkumulators, beispielsweise zu einer bestimmten Leistungsabgabezeit der Brennstoffzelle, standartmäßig auf einen optimalen Leistungsabgabestrom MFI gesetzt werden, bei dem eine maximale Leistungsabgabe der Brennstoffzelle erreicht werden kann. Ferner sollte ein unterer Grenzspannungswert DE, beispielsweise zu der bestimmten Leistungsabgabezeit der Brennstoffzelle, basierend auf einer optimalen Leistungsabgabespannung MFE eingestellt werden, bei der eine maximale Leistungsabgabe der Brennstoffzelle erreicht werden kann. Weil gemäß 4 um einen Punkt P1 max (MFI, MFE), an dem die Leistungsabgabe P1 der Brennstoffzelle maximal ist, ein Graph ausreichend flach ist, kann der Anfangswert Ifa des Leistungsabgabestromes If auf einen Stromwert gesetzt werden, bei dem eine Differenz zum optimalen Leistungsabgabestrom MFI in einem Bereich zwischen 0 und 3000 mA liegt. In gleicher Weise kann der untere Grenzspannungswert DE auf einen Spannungswert gesetzt werden, bei dem eine Differenz zur optimalen Leistungsabgabespannung MFE in einem Bereich zwischen 0,01 und 0,1 V/Zelle, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,1 V/Zelle liegt.
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Das vorliegende Brennstoffzellensystem kann ferner mit einer Brennstoff zur Brennstoffzelle führenden Brennstoffpumpe und einer Oxidationsmittel zu Brennstoffzelle führenden Oxidationsmittelpumpe ausgerüstet sein. Die Ladesteuerung könnte einen Befehl ausgeben, die Fördermenge wenigstens einer der Brennstoffpumpe und der Oxidationsmittelpumpe zu senken, wenn der Leistungsabgabestrom If abfällt. Ein derartiger Befehl könnte an eine Pumpensteuerung ausgegeben werden, die eingerichtet ist, die Pumpen zu steuern. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch wenigstens einer der Brennstoffpumpe und der Oxidationsmittelpumpe gesenkt und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gesteigert werden. Dabei können die Pumpensteuerung und die Ladesteuerung in einer Steuereinrichtung aufgebaut werden.
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Als Brennstoffzelle kann eine als Brennstoff Methanol verwendende Brennstoffzelle, beispielsweise eine Direktmethanolbrennstoffzelle verwendet werden. Im Oxidationsmittel kann Luft verwendet werden.
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung an konkreten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
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Wie in 1 gezeigt, ist ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer eine Kathode und eine Anode umfassenden Direktoxidationsbrennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel) 22, einer zur Kathode Luft zuführenden Luftpumpe 24, einer zur Anode eine Brennstoff-Wasser-Lösung zuführenden Brennstoffpumpe 26, ein aus der Anode ausgestoßene Flüssigkeit und aus der Kathode ausgestoßene Flüssigkeit sammelndes Reservoir 28, einem mit der aus der Brennstoffzelle 22 erzeugten elektrischen Energie ladbaren Bleiakkumulator 30 und einer Steuerung 44 ausgerüstet. Die Steuerung 44 enthält eine Ladesteuerung. Im Bleiakkumulator 30 kann ein VRLA-Akkumulator (valve regulated lead acid batterie) oder eine sogenannte Deep-Cycle-Batterie verwendet werden.
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In der Steuerung 44 kann eine Informationsverarbeitungseinrichtung, wie ein Mikrocomputer verwendet werden. Die Informationsverarbeitungseinrichtung kann mit einer Recheneinrichtung, einer Speichereinrichtung, einer beliebigen Schnittstelle, etc. ausgebildet sein, wobei die Recheneinrichtung mit einem in der Speichereinrichtung gespeicherten Programm eine zur elektrischen Energieerzeugung notwendige Berechnung durchführt und Anweisungen (Befehle) ausgibt, die zur Steuerung der Ausgabe der einzelnen, das Brennstoffzellensystem bildenden Bestandteile notwendig sind. Ferner können in der Speichereinrichtung (ein Hilfsspeicher, wie beispielsweise ein Flashspeicher) der Steuerung 44 der erste Strom If(1) bis n-te Strom If(n), die erste Spannung Ef(1) bis n-te Spannung Ef(n), die erste Oxidationsmittelmenge AQ(1) bis n-te Oxidationsmittelmenge AQ(n), die erste Brennstoffmenge FQ(1) bis n-te Brennstoffmenge FQ(n) und der untere Grenzspannungswert DE, die alle später näher beschrieben werden, abgespeichert werden. Die Recheneinrichtung (eine Hauptspeichereinrichtung (Memory) enthaltend) der Steuerung 44 kann, wenn der Ladevorgang gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durchgeführt wird, falls notwendig, die oben genannten Daten aus der Speichereinrichtung auslesen.
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In 2 ist die Struktur einer Zelle gezeigt, die die Brennstoffzelle (Brennstoffzellenstapel) 22 bildet. Die Zelle 1 besitzt eine Anode 2, eine Kathode 3 und eine Membran-Elektroden-Verbindung (MEA) 5 mit einer Elektrodenmembran 4, die zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 eingeklemmt ist. Auf einer der beiden Seiten der MEA 5 ist eine die Anode 2 abdichtende Dichtung 14 angeordnet und auf der anderen Seite der beiden Seiten ist eine die Kathode 3 abdichtende Dichtung 15 angeordnet.
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Die MEA 5 ist zwischen einem anodenseitigen Separator 10 und einem kathodenseitigen Separator 11 aufgenommen. Der anodenseitige Separator 10 ist mit der Anode 2 verbunden, während der kathodenseitige Separator 11 mit der Kathode 3 verbunden ist. Der anodenseitige Separator 10 besitzt einen Brennstoffkanal 12 zur Versorgung der Anode 2 mit Brennstoff. Der Brennstoffkanal 12 besitzt einen Anodenzugang zum Zuführen des Brennstoffes und auf der anderen Seite einen Anodenausgang zum Abführen von entstandenem CO2, unverbrauchtem Brennstoff, etc. Der kathodenseitige Separator 11 besitzt einen Oxidationsmittelkanal 13 zur Versorgung der Kathode 3 mit Oxidationsmittel. Der Oxidationsmittelkanal 13 besitzt einen Kathodenzugang zum Zuführen des Oxidationsmittels und auf der anderen Seite einen Kathodenausgang zum Abführen von entstandenem Wasser, unverbrauchtem Oxidationsmittel, etc.
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Der Stapel kann durch Bereitstellen einer Vielzahl der in 2 gezeigten Zelle und durch Stapeln sowie elektrisches Verbinden der einzelnen Zellen in Reihe hergestellt werden. Dabei können der anodenseitige Separator 10 und der kathodenseitige Separator 11 normalerweise einstückig ausgebildet sein. Das heißt, dass von dem einstückigen Separator eine Seite der anodenseitige Separator und die andere Seite der kathodenseitige Separator sein kann. Die Anodenzugänge der einzelnen Zellen können normalerweise beispielsweise durch Verwenden eines Anschlussstückes zu einem einzigen zusammengefasst werden. In gleicher Weise können auch die Anodenausgänge, die Kathodenzugänge und die Kathodenausgänge jeweils zusammengefasst sein.
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Damit während einer Betriebspause der Brennstoffzelle an die Anode 2 kein Sauerstoff gelangen kann, sind anodennahe Zwischenräume in dem Brennstoffzellensystem, das heißt Zwischenräume von der Brennstoffpumpe 26 über die Anode bis zur Flüssigkeit im Inneren des Reservoirs als luftdicht verschlossene Zwischenräume ausgebildet. Damit außer dem Anodenzugang und dem Anodenausgang nichts mit dem Außenraum verbunden ist, ist die Anode 2 der MEA 5 mit der Dichtung 14 abgedichtet. Um den anodenseitigen Separator 10 und den kathodenseitigen Separator 11 jeweils zu kontaktieren, können über eine Anordnung von Stromsammelplatten 16 und 17 die einzelnen Zellen 1 gestapelt werden, um eine elektrische Verbinden in Reihe herzustellen. Um die Stromsammelplatten 16 und 17 jeweils zu kontaktieren, können die gestapelten Zellen 1 über eine Anordnung von Abschlussplatten 18 abgeschlossen werden.
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Ferner kann in 1 die Kathode 3 der Brennstoffzelle über die Luftpumpe 24 mit Luft und die Anode 2 der Brennstoffzelle über die Brennstoffpumpe 26 mit Brennstoff (Methanol) versorgt werden. Anodenseitig ausgestoßene Flüssigkeit kann im Reservoir 28 gesammelt werden. Die Flüssigkeit aus dem Reservoir 28 kann mit Brennstoff gemischt werden, wobei die Anode 2 mit der entstehenden Brennstoff-Wasser-Lösung versorgt werden kann. Ferner kann wenigstens ein Teil der von der Kathode 3 kommenden Kathodenflüssigkeit in das Reservoir 28 geleitet werden. Hochkonzentriertes Methanol aus dem Brennstofftank 32 kann mit Flüssigkeit (eine dünne Methanol-Wasser-Lösung) vermischt und über die Brennstoffpumpe 26 zu jeder Zelle der Brennstoffzelle 22 geleitet werden.
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Zudem ist das Brennstoffzellensystem 20 der 1 ferner mit einem ersten Spannungssensor (FVS) 34 zum Erfassen einer Leistungsabgabespannung Ef der Brennstoffzelle 22, einem ersten Stromsensor (FIS) 36 zum Erfassen eines Leistungsabgabestromes If der Brennstoffzelle 22, einem DC/DC-Transformator 38 zum Ausgeben einer erzeugten elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle nach einem Wandeln der Leistungsabgabespannung Ef mit einem Transformationsverhältnis PS an den Bleiakkumulator 30, einem zweiten Spannungssensor (BVS) 40 zum Erfassen einer Batteriespannung Eb (auch Ladespannung oder Leistungsabgabespannung des DC/DC-Transformators genannt) des Bleiakkumulators 30 und einem zweiten Stromsensor (BIS) 42 zum Erfassen eines Ladestromes Ib (auch Leistungsabgabestrom des DC/DC-Transformators genannt) des Bleiakkumulators 30 ausgerüstet. Der erste Spannungssensor 34, der erste Stromsensor 36, der zweite Spannungssensor 40 und der zweite Stromsensor 42 geben ihre Ausgangssignale an die Steuerung 44 aus. Die Steuerung 44 steuert basierend auf den einzelnen ausgegebenen Ausgangssignalen die Luftpumpe 24, die Brennstoffpumpe 26 und das Transformationsverhältnis PS des DC/DC-Transformators 38.
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Nachstehend werden mit Bezug auf 2 die einzelnen Bauteile beschrieben, die die im Direktoxidationsbrennstoffzellensystem verwendete Brennstoffzelle bilden. Jedoch ist der Aufbau der Brennstoffzelle nicht auf die nachstehenden Ausführungen beschränkt.
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Die Kathode 3 enthält eine Kathodendiffusionsschicht 9, die mit dem kathodenseitigen Separator 11 und einer Kathodenkatalysatorschicht 8 verbunden ist, die wiederrum mit der Elektrolytmembran 4 verbunden ist. Die Kathodendiffusionsschicht 9 enthält beispielsweise eine mit dem kathodenseitigen Separator 11 verbundene Substratschicht und eine mit der Kathodenkatalysatorschicht 8 verbundene elektrisch leitfähige und wasserabweisende Schicht.
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Die Kathodenkatalysatorschicht 8 enthält eine Polymerelektrolytschicht. Als Kathodenkatalysator ist ein Edelmetall mit einer hohen Katalysatoraktivität, wie beispielsweise Pt besonders günstig. Der Kathodenkatalysator kann sowohl alleine als auch in einer auf einem Träger getragenen Form verwendet werden. Als Träger ist aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und Säurefestigkeit ein Kohlenstoffmaterial wie Karbon besonders günstig. Als Polymerelektrolytschicht sind protonenleitfähige Materialien wie Polymermaterialien auf Kohlenwasserstoffbasis und Polymermaterialen auf Perfluorosulfonsäurebasis günstig. Als Polymermaterial auf Perfluorosulfonsäurebasis kann beispielsweise Nafion (eingetragene Marke), oder ähnliches verwendet werden.
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Die Anode 2 enthält eine mit der Elektrolytmembran 4 verbundene Anodenkatalysatorschicht 6 und eine mit dem anodenseitigen Separator 10 verbundene Anodendiffusionsschicht 7. Die Anodendiffusionsschicht 7 enthält beispielsweise eine mit dem anodenseitigen Separator 10 verbundene Substratschicht und eine mit der Anodenkatalysatorschicht 6 verbundene elektrisch leitfähige und wasserabweisende Schicht.
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Die Anodenkatalysatorschicht 6 enthält einen Anodenkatalysator und eine Polymerelektrolytschicht. Als Anodenkatalysator ist aus Sicht einer niedrigen Verunreinigung des Katalysators mit Kohlenmonooxid ein Katalysator aus einer Metalllegierung aus Pt und Ru vorteilhaft. Der Anodenkatalysator kann sowohl alleine als auch in einer auf einem Träger getragenen Form verwendet werden. Als Träger kann wie bei dem Träger, auf dem der Kathodenkatalysator getragen wird, in gleicher Weise ein Karbonmaterial verwendet werden. Als in der Anodenkatalysatorschicht 6 enthaltene Polymerelektrolytschicht kann das gleiche Material verwendet werden, das auch für die Kathodenkatalysatorschicht 8 verwendet wird.
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Die in der Anodendiffusionsschicht 7 und in der Kathodendiffusionsschicht 9 enthaltene elektrisch leitfähige und wasserabweisende Schicht kann elektrisch leitfähige Partikel und wasserabweisende Partikel enthalten. Als in der elektrisch leitfähigen und wasserabweisenden Schicht enthaltene elektrisch leitfähige Partikel kann beispielsweise chemischer Industrieruß verwendet werden, wobei die verwendeten Materialien nicht auf gewöhnlich im Bereich der Brennstoffzellentechnik eingesetzte Materialien eingeschränkt sind. Als in der elektrisch leitfähigen und wasserabweisenden Schicht verwendete wasserabweisende Partikel kann beispielsweise Polytetrafluoroethylen (PTFE) oder ähnliches verwendet werden, wobei die verwendeten Materialien nicht auf gewöhnlich im Bereich der Brennstoffzellentechnik eingesetzte Materialien eingeschränkt sind.
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Als Substratschicht kann ein elektrisch leitfähiges, poröses Material verwendet werden. Als elektrisch leitfähiges, poröses Material kann beispielsweise Carbon Paper oder ähnliches verwendet werden, wobei die verwendeten Materialien nicht auf gewöhnlich im Bereich der Brennstoffzellentechnik eingesetzte Materialien eingeschränkt sind. Diese porösen Materialien sollten zur Verbesserung des Ausstoßes von diffundiertem und entstandenem Wasser wasserabweisende Partikel enthalten. Die wasserabweisenden Partikel können die gleichen Materialen sein, die auch als wasserabweisende Partikel verwendet werden, die in der elektrisch leitfähigen und wasserabweisenden Schicht enthalten sind.
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Als Elektrolytmembran 4 kann in nicht einschränkender Weise eine zukünftig verwendete protonenleitfähige Polymerschicht verwendet werden. Konkret kann eine Polymerschicht auf Perfluorosulfonsäurebasis oder eine Polymerschicht auf Kohlenwasserstoffbasis verwendet werden. Als Polymerschicht auf Perfluorosulfonsäurebasis kann beispielsweise Nafion (eingetragene Marke) oder ähnliches herangezogen werden.
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Die in 2 gezeigte Direktoxidationsbrennstoffzelle kann beispielsweise in der nachstehenden Weise hergestellt werden. Die MEA 5 wird durch Verbinden der Anode 2 auf einer Seite der Elektrolytmembran 4 und der Kathode 3 auf der anderen Seite, beispielsweise mittels eines Heißpressverfahrens hergestellt. Danach wird die MEA 5 zwischen dem anodenseitigen Separator 10 und dem kathodenseitigen Separator 11 eingeklemmt. Dabei wird zum Abdichten der Anode 2 der MEA 5 die Dichtung 14 und zum Abdichten der Kathode 3 die Dichtung 15 angeordnet. Danach werden an den Außenseiten des anodenseitigen Separators 10 und des kathodenseitigen Separators 11 jeweils die Stromsammelplatten 16 und die Abschlussplatten 18 aufgeschichtet und alles miteinander verbunden. Ferner kann an den Außenseiten der Abschlussplatten 18 ein Heizelement zur Temperaturregelung aufgeschichtet werden.
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Nachstehend wird ein Ladeverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erläutert. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens können die folgenden Schritte durchgeführt werden: ein Schritt (i) zum Versorgen der Brennstoffzelle mit der ersten Durchflussmenge AQ an Oxidationsmittel, ein Schritt (ii) zum Versorgen der Brennstoffzelle mit der zweiten Durchflussmenge FQ an Brennstoff, ein Schritt (iii) zum Laden des Bleiakkumulators mit der aus der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung durch Konstanthalten des Leistungsabgabestromes If aus der Brennstoffzelle, ein Schritt (iv) zum Regeln des Ladestromes Ib des Bleiakkumulators in Abhängigkeit der Batteriespannung Eb des Bleiakkumulators, ein Schritt (v) zum Regeln des Leistungsabgabestromes If aus der Brennstoffzelle derart, dass die Batteriespannung Eb über dem unteren Grenzspannungswert DE bleibt, wenn eine Leistungsabgabespannung Ef der zuvor genannten Brennstoffzelle durch eine Verringerung der mit der zuvor genannten Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie unterhalb des vorbestimmten Grenzspannungswertes DE fällt und ein Schritt (vi) zum Senken des Leistungsabgabestromes If, um die Batteriespannung Eb unterhalb der ersten oberen Grenzspannung ER1 zu halten, wenn die Batteriespannung Eb die ersten obere Grenzspannung ER1 erreicht. Dabei kann, jedes Mal, wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht, der Leistungsabgabestrom If von einem ersten Strom If(1) bis auf einen n-ten Strom If(n) (n – 1)-mal stufenweise gesenkt werden. Zusätzlich kann ein (n – 1)-maliger stufenweiser Anstieg der Leistungsabgabespannung Ef von einer ersten Spannung Ef(1) bis auf eine n-te Spannung Ef(n) sein. Dabei ist n ganzzahlig, größer als 2, If(1) > If(2) > ... und Ef(1) > Ef(2) > ....
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Ferner kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Ladeverfahrens gemeinsam mit dem Senken des Leistungsabgabestromes If die Durchflussmenge an Oxidationsmittel (erste Durchflussmenge) AQ und die Durchflussmenge an Brennstoff (zweite Durchflussmenge) FQ gesenkt werden. Wenn beispielsweise der Leistungsabgabestrom If von einem ersten Strom If(1) stufenweise bis auf einen n-ten Strom If(n) gesenkt wird, kann gemeinsam damit die erste Durchflussmenge AQ und die zweite Durchflussmenge FQ stufenweise gesenkt werden. Ferner kann die Konzentration des Brennstoffes (Wasserlösung), mit dem die Brennstoffzelle versorgt wird, stufenweise gesenkt werden.
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Ferner kann der Leistungsabgabestrom If oder die aus der Brennstoffzelle abgegebene erzeugte Energie im Rahmen des Ladeverfahrens des vorliegenden Ausführungsbeispiels zum Laden des Bleiakkumulators, in einem Zustand, in dem der Leistungsabgabestrom If auf den n-ten Strom If(n) abgefallen ist und die Batteriespannung Eb die zweite obere Grenzspannung Rmax erreicht hat gehalten werden. Dabei ist ERmax > ER1. Ferner kann die elektrische Energieerzeugung mit der Brennstoffzelle unterbrochen und das Ladeverfahren beendet werden, auch wenn die Batteriespannung Eb die zweite obere Grenzspannung ERmax nicht erreicht, aber die Erzeugung des n-ten Stromes (n) eine vorbestimmte Zeit (zum Beispiel 0,5 bis 2,5 Stunden, vorzugsweise 1,5 bis 2, 5 Stunden) angedauert hat.
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Nachstehend soll das Ladeverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Bezug auf die 4 bis 6 erläutert werden, wobei beispielhaft der Bleiakkumulator 30 eine Nennspannung von 12 V aufweisen und, wie in 3 gezeigt, der Leistungsabgabestrom If maximal drei Mal verändert werden soll (n = 4).
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Zunächst wird die Batteriespannung EOb des Bleiakkumulators vor dem Beginn des Ladens erfasst (ST1). In Abhängigkeit der Batteriespannung EOb zu dieser Zeit werden der Ladebeginn und das Ladeende festgelegt. Wenn die gemessene Spannung kleiner ist, als ein vorbestimmter Spannungswert (beispielsweise 12,3 V), wird das Laden durch Setzen des Leistungsabgabestromes If auf den Anfangswert Ifa (im Beispiel der 3 sind das 14 A) und durch Setzen des Ladestromes Ib auf einen vorbestimmten Ladestromwert (beispielsweise 11 A) gestartet. Danach wird eine die Häufigkeit der Umschaltungen des Leistungsabgabestromes If beschreibende Laufvariable auf den Wert [1] gesetzt, so dass sich die Batteriespannung Eb mit dem Ladefortschritt erhöht. Dabei wird die elektrische Energieerzeugung in der Brennstoffzelle nicht mit einer von einer vorbestimmten Leistungsabgabe abhängigen Durchflussmenge sondern mit jeweils gegenüber der vorbestimmten Menge leicht erhöhten Oxidationsmittelmenge AQ(1) und Brennstoffmenge FQ(1) begonnen. Sollte dabei die in Schritt ST1 erfasste Batteriespannung EOb den oben genannten vorbestimmten Spannungswert überschreiten, wird das Laden des Bleiakkumulators 30 bis zu einem vollen Ladestand nicht durchgeführt, sondern der Vorgang beendet.
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Ferner wird die Batteriespannung Eb erfasst (ST3). Der Schritt ST3 wird in Intervallen mit vorbestimmten, ausreichend kurzen Zeitabständen Δt (beispielsweise von 0,1 s) durchgeführt. Dabei wird die Batteriespannung Eb überwacht. Ferner wird festgestellt, ob die Laufvariable k größer ist, als der Wert [n] (in 3 ist n beispielsweise gleich 4) (ST4). Ist k ≥ n (in ST4 Yes), wird zum Entscheiden, ob das Laden beendet werden soll, mit ST8 fortgefahren. Nachstehend werden die Schritte ab ST8 beschrieben.
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Ist die Laufvariable k nicht größer als der Wert [n] (in ST4 No), dann ist die Laufvariable k ein Wert zwischen 1, 2, ..., (n – 1) (hier ist (n – 1) = 3) und es wird mit ST5 fortgefahren, im Rahmen dessen bestimmt wird, ob die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht hat. Wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht hat (in ST5 Yes), dann wird hier der Leistungsabgabestrom If beispielsweise mit einer Abnahmerate DR(k) gesenkt. Danach wird die Laufvariable k um den Wert [1] erhöht (ST6) und zu Schritt 3 zurückgekehrt. In Schritt ST3 wird, nachdem seit der letzten Spannungsmessung ein vorbestimmter Zeitabstand Δt verstrichen ist, die Batteriespannung Eb erfasst (was im Folgenden identisch ist). Im Rahmen des Schritts ST6 wird der Leistungsabgabestrom If von If(k) auf If(k + 1) gesenkt.
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Der erste Strom If(1) ist der Leistungsabgabestrom If zur Zeit, an der die Batteriespannung Eb das erste Mal die obere Grenzspannung ER1 erreicht. Der Leistungsabgabestrom If in Form des ersten Stromes If(1) wird mit der Abnahmerate DR(k) gesenkt und zum zweiten Strom If(2). Wenn die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 ein zweites Mal erreicht, wird der Leistungsabgabestrom If in Form des zweiten Stromes If(2) mit der Abnahmerate DR(k) gesenkt und zum dritten Strom If(3). In der zuvor beschriebenen Weise wird der Leistungsabgabestrom If vom ersten Strom If(1) bis auf den n-tn Strom If(n) gesenkt. Die Abnahmerate DR(k) kann entweder in vorbestimmter Weise hinterlegt oder situationsabhängig geeignet eingestellt werden. Dabei muss der erste Strom If(1) nicht immer mit dem Anfangswert Ifa des Leistungsabgabestromes If übereinstimmen. Wird der Leistungsabgabestrom If in den später beschriebenen Schritten ST7, ST10 gesenkt, ist der Anfangswert Ifa kleiner als der erste Strom If(1).
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Ferner kann der zweite Strom If(2) bis n-te Strom If(n) basierend auf dem Anfangswert Ifa festgelegt werden. Beispielsweise können der zweite Strom If(2) bis n-te Strom If(n) durch Senken des Anfangswertes Ifa statt des ersten Stromes If(1) mit der Abnahmerate DR(k) erhalten werden. Ist n beispielsweise gleich 4, sollte die Abnahmerate DR(k) (ferner DRc) auf 40% bis 50% eingestellt werden. Gegebenenfalls können der zweite Strom If(2) bis 3-te Strom If(n) auch basierend auf dem optimalen Ausgangsstrom MFI eingestellt werden. Ist n beispielsweise gleich 4, dann kann der zweite Strom If(2) auf 50% bis 70% von MFI, der dritte Strom If(3) auf 30% bis 40% von MFI und der vierte Strom If(4) auf 10% bis 20% von MFI eingestellt werden.
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Wenn am Anfang die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht, wird, in der zuvor erläuterten Weise der Leistungsabgabestrom If vom ersten Strom If(1) auf den zweiten Strom If(2) gesetzt, weil k am Anfang gleich 1 ist. Damit wird der Leistungsabgabestrom If jedes Mal wenn in Schritt ST5 auf Yes entschieden wurde, insgesamt (n – 1) mal ausgehend vom ersten Strom If(1) bis auf den n-ten Strom If(n) stufenweise herabgesetzt. Als Reaktion auf die Veränderung des Ausgangsstromes If erhöht sich die Ausgangsspannung Ef insgesamt (n – 1) mal ausgehend von der ersten Spannung Ef(1) bis auf die n-te Spannung Ef(n) stufenweise. Ferner kann der Anfangswert Ifa des Leistungsabgabestromes If standartmäßig auf Grundlage eines Stromwertes (MFI) eingestellt werden, bei dem der maximale Wirkungsgrad bei der elektrischen Energieerzeugung erreicht werden kann, wenn die Brennstoffzelle 22 elektrische Energie mit einer vorbestimmten Leistungsabgabe erzeugen soll. Beispielsweise kann der Stromwert derart eingestellt werden, dass eine Differenz zu MFI 0 bis 3000 mA beträgt.
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Dabei können die Durchflussmenge AQ(k) an Oxidationsmittel und die Durchflussmenge FQ(k) an Brennstoff gemeinsam mit der Veränderung des Leistungsabgabestromes If auf eine Durchflussmenge AQ(k + 1) an Oxidationsmittel und eine Durchflussmenge FQ(k + 1) verändert werden. Dabei ist AQ(k + 1) < AQ(k) und FQ(k + 1) < FQ(k). Wenn beispielsweise If(k) / If(k+1) = α × FQ(k) / FQ(k+1) = β × AQ(k) / AQ(k+1) ist, kann α = 0,9 bis 2,0 und β = 0,9 bis 2,0 gesetzt werden.
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In der zuvor beschrieben Weise kann als Reaktion auf die Veränderung des Ausgangsstromes If die Durchflussmenge AQ(k) an Oxidationsmittel angefangen von einer ersten Durchflussmenge AQ(1) an Oxidationsmittel bis auf eine n-te Durchflussmenge AQ(n) an Oxidationsmittel (n – 1) mal verändert werden. In gleicher Weise kann die Durchflussmenge FQ(1) an Brennstoff angefangen von einer ersten Durchflussmenge FQ(1) an Brennstoff bis auf eine n-te Durchflussmenge FQ(n) an Brennstoff (n – 1) mal verändert werden.
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Wenn im Rahmen des Ausführungsbeispiels in ST5 die Batteriespannung Eb nicht die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht (in ST5 nein), wird ferner erfasst, ob die Leistungsabgabespannung Ef der Brennstoffzelle 22 kleiner ist, als die untere Grenzspannung DE (ST7). Die untere Grenzspannung DE kann auf Grundlage eines Wertes (MFE) eingestellt werden, bei dem der maximale Wirkungsgrad bei der elektrischen Energieerzeugung erreicht werden kann, wenn die Brennstoffzelle 22 elektrische Energie mit einer vorbestimmten Leistungsabgabe erzeugt. Beispielsweise kann ein Wert derart eingestellt werden, dass eine Differenz zu MFE 0,01 bis 0,1 V pro Zelle beträgt.
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Hierbei kann zu ST3 zurückgekehrt werden, um die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle mit dem aktuellen Leistungsabgabestrom If fortzusetzen, wenn die Leistungsabgabespannung Ef über der unteren Grenzspannung DE liegt. Wenn andererseits die Leistungsabgabespannung Ef unter die untere Grenzspannung DE fällt (in ST7 Yes), wird der Ausgangsstrom If für einen maximalen, oder zumindest annähernd maximalen Wirkungsgrad in der elektrischen Energieerzeugung um eine sehr geringe vorbestimmte Menge reduziert und zu S3 zurückgekehrt. Auf diese Weise wird die Senkung des Leistungsabgabestroms If durchgeführt. Im Rahmen des Entscheidungsschrittes ST7 kann, weil in der Praxis außer im Fall k = 1 keine Probleme auftreten (siehe 3), vor ST7 ein Entscheidungsschritt durchgeführt werden, ob k = 1 ist, und der Entscheidungsschritt ST7 nur im Falle k = 1 durchgeführt werden.
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Wenn im Rahmen des oben genannten Schrittes ST4 der Wert [n(= 4)] für die Laufvariable k ermittelt wird (in ST4 Yes), wird entschieden (ST8), ob die Batteriespannung Eb kleiner ist, als die zweite obere Grenzspannung ERmax (beispielsweise 18,0 V). Wenn dabei die Batteriespannung Eb die zweite obere Grenzspannung ERmax erreicht hat (in ST8 No), wird das Laden sofort beendet. Wenn die Batteriespannung Eb die zweite obere Grenzspannung ERmax noch nicht erreicht hat (in ST8 Yes), wird entschieden (ST9), ob seit dem Setzen der Laufvariable k auf den Wert [n(= 4)] eine vorbestimmte Zeitdauer TI (beispielsweise von 2,5 Stunden) verstrichen sind. Wenn dabei die vorbestimmte Zeitdauer TI verstrichen ist (in ST9 Yes), wird das Laden beendet. Wenn die vorbestimmte Zeitdauer TI noch nicht verstrichen ist (in ST9 No), wird der Bleiakkumulator geladen und zu ST3 zurückgekehrt, wobei das Laden mit dem n-ten Strom If(n)(n = 4) fortgeführt wird, bis in ST8 auf No und in ST9 auf Yes entschieden wird.
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Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren kann beim Laden des Bleiakkumulators mit erzeugter elektrischer Energie aus der Brennstoffzelle, dessen Leistungsabgabestrom If konstant ist, ein Betriebszustand stabilisiert und der Wirkungsgrad bei der elektrischen Energieerzeugung erhöht werden. Weil sich mit der Brennstoffzelle hinsichtlich einer tatsächlich verbrauchten Brennstoffmenge elektrische Energie in einfacher Weise immer an einem Punkt erzeugen lässt, an dem eine maximale oder zumindest annähernd maximale Leistungsabgabe erreicht wird, kann der Wirkungsgrad bei der elektrischen Energieerzeugung gesteigert werden.
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Dabei sinkt die aus der Brennstoffzelle erzeugte und abgegebene elektrische Energie und damit auch die Leistungsabgabespannung Ef bis auf die untere Grenzspannung DE selbst wenn die Brennstoffzelle einen konstanten Leistungsabgabestrom If erzeugt, wobei durch Halten der Leistungsabgabespannung Ef oberhalb der unteren Grenzspannung DE der Leistungsabgabestrom If fällt. Auf diese Weise kann für die erzeugte elektrische Energie der Brennstoffzelle im Verlauf des elektrischen Energieerzeugungszeitraums inklusive der Zeit, in der sie herabgesetzt wird, ein höherer Wirkungsgrad bei der elektrischen Energieerzeugung realisiert werden.
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Wenn die Batteriespannung Eb des Bleiakkumulators die obere Grenzspannung ER1 erreicht, kann ferner durch Herabsetzen des Leistungsabgabestromes If der Brennstoffzelle eine elektrische Energieerzeugung vermieden werden, bei der die Brennstoffzelle elektrische Energie mit einer elektrischen Leistungsabgabe oberhalb einer vorbestimmten elektrischen Leistungsabgabe erzeugt. Auf diese Weise kann ein Abfallen des Wirkungsgrades bei der elektrischen Energieerzeugung vermieden werden. Ferner kann, jedes Mal, wenn beispielsweise die Batteriespannung Eb die erste obere Grenzspannung ER1 erreicht, durch (n – 1)-maliges stufenweises Absenken des Leistungsabgabestromes If vom ersten Strom If(1) bis auf den n-ten Strom If(n) der Bleiakkumulator bis auf einen vollen oder zumindest nahezu vollen Ladestand mit einer vergleichsweise hohen Rate geladen und so die Ladedauer verkürzt werden. Dies erleichtert es, den Bleiakkumulator stets auf einen vollen oder zumindest nahezu vollen Ladestand aufzuladen, wodurch eine lange Lebensdauer erreicht werden kann. Weil sich ferner mit dem stufenweisen Absenken des Leistungsabgabestromes If die Leistungsabgabespannung Ef stufenweise anheben lässt, kann mit der Brennstoffzelle stets mit dem maximalen Wirkungsgrad, oder zumindest mit einem annähernd maximalen Wirkungsgrad elektrische Energie erzeugt werden, weil sich auch die Menge an verbrauchtem Brennstoff stufenweise senken lässt.
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Weil ferner in Abhängigkeit der Veränderung des Leistungsabgabestromes If die versorgte Durchflussmenge AQ an Oxidationsmittel, die versorgte Durchflussmenge FQ an Brennstoff und die Konzentration des Brennstoffes, mit dem die Brennstoffzelle versorgt wird, stufenweise gesenkt werden, kann der Energieverbrauch von Hilfseinrichtungen, wie der Brennstoffpumpe, der Oxidationsmittelpumpe (Luftpumpe), etc. gesenkt werden. Im Ergebnis kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gesteigert werden.
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Wenn ferner der Leistungsabgabestrom If auf den n-ten Strom If(n) abgesenkt wurde, wird der Bleiakkumulator mit einem beim n-ten Strom If(n) gehaltenen Leistungsabgabestrom If geladen, wenn die Batteriespannung Eb die zweite obere Grenzspannung ERmax erreicht hat. Auf diese Weise kann der Bleiakkumulator bis zu einem vollen Ladestand oder zumindest einem annähernd vollen Ladestand mit einem konstant gehaltenen Leistungsabgabestrom If geladen werden. Daher kann einem Abfall des Wirkungsgrades bei der elektrischen Energieerzeugung mit der Brennstoffzelle wirkungsvoll vorgebeugt werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Lebensdauer und der Wirkungsgrad eines einen Bleiakkumulator enthaltenden Brennstoffzellensystems gesteigert. Daher kann ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, das über einen langen Zeitraum mit hervorragenden elektrischen Energieerzeugungseigenschaften und einer stabilen Leistungsfähigkeit betrieben werden kann. Das Direktoxidationsbrennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist überaus nützlich als mittelgroße Energiequelle in Outdoor Activity Anwendungen.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand des vorliegenden Ausführungsbeispiels erläutert, sie ist jedoch nicht auf die Offenbarung eingeschränkt. Dem einschlägigen Fachmann werden beim Lesen der Offenbarung der Erfindung zahlreiche Variationen und Abwandlungen offensichtlich sein. Daher sollen vom Schutzumfang der angehängten Ansprüche alle Änderungen und Abwandlungen umfasst sein, die sich aus dem Wesen und dem Umfang der vorliegenden Erfindung zwangsläufig ergeben.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Brennstoffzellensystem
- 22
- Brennstoffzelle
- 24
- Luftpumpe
- 26
- Brennstoffpumpe
- 30
- Bleiakkumulator
- 32
- Brennstofftank
- 34
- erster Spannungssensor
- 36
- erster Stromsensor
- 38
- DC-Transformator
- 40
- zweiter Spannungssensor
- 42
- zweiter Stromsensor
- 44
- Steuerung
