DE69924908T2

DE69924908T2 - Erkennung und Korrektur der Flutung von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE69924908T2
Application number: DE69924908T
Authority: DE
Inventors: Andrew DiPierno Rochester Bosco; Matthew Howard Honeoye Falls Fronk
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: EP0948069A2; JP3098510B2; EP0948069A3; DE69924908D1; CA2259820A1; JPH11273700A; US6103409A; EP0948069B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von PEM-Brennstoffzellenstapeln, um ein Fluten zu erfassen und zu korrigieren.
Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an dieser Erfindung gemäß dem Vertrag Nr. DE-AC02-90CH10435, der dem United States Department of Energy zugeordnet ist.
Hintergrund der Erfindung
PEM-Brennstoffzellen (d.h. Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran) [auch bekannt als SPE-Brennstoffzellen (Festpolymerelektrolytbrennstoffzellen)] sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine "Membranelektrodenanordnung" mit einem dünnen protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyt, der eine Anode auf einer seiner Seiten und eine Kathode auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Membranelektrodenanordnung [auch bekannt als MEA] ist zwischen ein Paar elektrisch leitender Elemente geschichtet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) eine Vielzahl von Strömungskanälen darin umfassen, um die gasförmigen Reaktanden, nämlich H₂ und O₂ (beispielsweise Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Der Strömungskanal für jeden Reaktanden wird oftmals als ein "Strömungsfeld" für diesen Reaktanden bezeichnet (beispielsweise H₂-Strömungsfeld). Gewöhnlich wird eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden, und der Stapel bildet einen Teil eines Brennstoffzellensystems, das Zubehörvorrichtungen umfasst, wie beispielsweise Reformer, Shiftreaktoren, Brenner, Kompressoren, Befeuchtungseinrichtungen, Brennstoffspeicher, Pumpen und Controller, usw.
Die Festpolymermembranen bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Ein derartiges Harz ist NAFION^®, das E. I. DuPont de Nemours & Co. vertrieben wird. Derartige Membranen sind in der Technik gut bekannt und in den U.S. Patenten 5,272,017 und 3,134,697 und in dem Journal of Power Sources, Band 29 (1990), Seiten 367–387 usw. beschrieben. Die Anode und Kathode an den Seiten der Membran umfassen typischerweise fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die an den Kohlenstoffpartikeln getragen sind, und protonenleitendes Harz, das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist. Eine derartige Membranelektrodenanordnung und Brennstoffzelle ist in dem U.S. Patent Nr. 5,272,017 beschrieben, das am 21. Dezember 1993 erteilt und auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Typischerweise sind Brennstoffzellensysteme so gestaltet, dass unter normalen Betriebsbedingungen die Strömungsrate der Reaktanden zu dem Stapel zunimmt, wenn die Anforderungen nach elektrischem Strom an dem Stapel zunimmt, und umgekehrt. Für die Kathode (Luft) wird dies typischerweise dadurch erreicht, dass die Kompressorabgabe des Systems in Ansprechen auf die elektrische Abgabe des Stapels erhöht oder verringert wird. Für die Anode (H₂) wird dies dadurch erreicht, dass der Druckregler an einem über Tank belieferten System erhöht wird oder die Brennstofflieferrate zu einem Reformer in einem über Reformer belieferten System erhöht wird. Ähnlicherweise werden unter normalen Betriebsbedin gungen beide Reaktandenströme typischerweise oberstromig des Stapels befeuchtet, um ein Austrocknen der Membran zu verhindern. Diesbezüglich können die Reaktandenströme entweder durch eine Membran oder eine Befeuchtungsvorrichtung vom Filtertyp geführt werden oder besitzen bevorzugt darin mittels geeigneter Injektoren eingespritztes Wasser. Die Brennstoffzellenreaktion bildet Wasser an der Kathodenseite der Membran.
Die Leistungsfähigkeit des PEM-Brennstoffzellenstapels kann sich aus einer Anzahl von Gründen, einschließlich eines Flutens der Zellen mit H₂O verschlechtern. Bei normalen Betriebsbedingungen sammelt sich kein Wasser in den Strömungsfeldern an, da es durch die strömenden Reaktandengase herausgespült wird. Jedoch kann manchmal die relative Feuchte in den Reaktandenströmen 100% überschreiten, was dazu führt, dass Wasser auskondensiert und Tröpfchen bildet. Wenn sich diese Tröpfchen mit der Zeit aufbauen können, werden die Strömungsfelder teilweise oder vollständig blockiert (bekannt als "Fluten"), was (a) verhindert, dass die Reaktanden die Reaktionsstellen erreichen und (b) verhindert, dass Reaktionswasser das bzw. die Strömungsfelder verlassen kann. Dies resultiert seinerseits in einer erheblichen Verschlechterung der Stapelleistungsfähigkeit und erfordert eine korrektive Aktion.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen von PEM-Brennstoffzellen, um ein Fluten, das darin auftreten kann, zu erfassen und zu korrigieren. Eine korrektive Aktion kann einfach das Alarmieren des Bedieners der Zelle sein, um eine Korrekturaktion auszuführen. Bevorzugt wird jedoch die korrektive Aktion automatisch dadurch eingeleitet, dass bestimmte vorprogrammierte Korrektur prozeduren ausgelöst werden, die beispielsweise umfassen können: (1) Entfeuchten entweder eines oder beider Reaktandenströme, um eine Verdunstung des Wassers in dem bzw. den Strömungsfeldern zu unterstützen; (2) Erhöhen der Massendurchflussrate der Reaktanden, um das Wasser aus dem bzw. den Strömungsfeldern zu spülen; (3) ein Reduzieren des absoluten Drucks der Reaktandengase unterstützt nicht nur eine Verdunstung des Wassers in dem bzw. den Strömungsfeldern, sondern verringert auch die Dichte des Gases, so dass für dieselbe Massendurchflussrate die Geschwindigkeit des Gases zunimmt und der Druckabfall über das Strömungsfeld zunimmt, um Wasser von dem Strömungsfeld zu spülen; und (4) temporäres Verringern des von dem Stapel gezogenen elektrischen Stromes, um die Rate zu verringern, mit der Wasser elektrochemisch erzeugt wird. Allgemein betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum (1) Bestimmen des Druckabfalls über eines oder beide Wasserstoff- und Sauerstoffströmungsfelder eines Brennstoffzellenstapels bei einer gegebenen elektrischen Austragsrate (d.h. einem von dem Stapel gezogenen Strom), (2) Vergleichen dieses Druckabfalls mit akzeptablen Referenzdruckabfällen (d.h. in einer Nachschlagetabelle), die aus einem im Wesentlichen identischen, nicht gefluteten Stapel bei verschiedenen elektrischen Austragsraten empirisch bestimmt wurden, und (3) Auslösen einer Korrekturaktion, wenn der gemessene Druckabfall des überwachten Stapels gleich einer vorbestimmten Schwelle eines unakzeptablen Druckabfalls ist oder diesen überschreitet, der für dieselbe Austragsrate eingestellt ist, bei der der Stapel überwacht wird.
Von der Ausstattungsperspektive her betrifft die Erfindung einen herkömmlichen Stapel aus H₂-O₂-PEM-Brennstoffzellen, wobei die Zellen jeweils grundsätzlich eine Protonenaustauschmembran mit einer Anode und einer Kathode umfassen, die an deren entgegengesetzten ersten und zweiten Flächen angebracht sind. Benachbart der Anode ist ein Wasser stoffströmungsfeld vorgesehen, das Wasserstoff in Kontakt mit der Anode bringt. Benachbart der Kathode ist ein Sauerstoffströmungsfeld vorgesehen, das ein Sauerstoffträgergas (beispielsweise Luft) in Kontakt mit der Kathode bringt. Ein Wasserstoffversorgungsverteiler liefert den Wasserstoff an das Wasserstoffströmungsfeld, und ein Sauerstoffversorgungsverteiler liefert das Sauerstoffträgergas an das Sauerstoffströmungsfeld. Ein Wasserstoffabgasverteiler nimmt Wasserstoff von dem Wasserstoffströmungsfeld auf, und ein Sauerstoffabgasverteiler nimmt Sauerstoffträgergas von dem Sauerstoffströmungsfeld auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der PEM-Brennstoffzellenstapel ein Druckabfallsensormittel, das mit den Sauerstoffversorgungs- und Austragsverteilern in Verbindung steht, um den Druckabfall über die Sauerstoffströmungsfelder, die die Sauerstoffversorgungs- und Austragsverteiler trennen, zu bestimmen. Der Druckabfallsensor löst ein Einleiten von Korrekturmaßnahmen aus (beispielsweise Alarmieren eines Bedieners, damit dieser manuelle Korrekturen durchführt), um ein Fluten des Sauerstoffströmungsfeldes zu reduzieren. Bevorzugt umfasst ein Brennstoffzellenstapel auch ein zweites Druckabfallsensormittel, das mit den Wasserstoff-Versorgungs- und Austragsverteilern in Verbindung steht, um einen zweiten Druckabfall dazwischen zu bestimmen und eine ähnliche Korrekturaktion auszuführen. Das Druckabfallsensormittel kann einzelne Drucksensoren für die Versorgungs- und Austragsverteiler umfassen, von denen der Druckabfall berechnet werden kann, indem der Druck P₂ in dem Austragsverteiler von dem Druck P₁ in dem Versorgungsverteiler subtrahiert wird. Bevorzugt ist das Druckabfallsensormittel eine Differenzdruckvorrichtung, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Differenzdruckwandler, der einen Druckabfall ΔP direkt und ohne Erfordernis der Durchführung einer Berechnung misst.
Vom Verfahren her betrifft die Erfindung einen Prozess zum Überwachen eines Stapels aus H₂-O₂-PEM-Brennstoffzellen hinsichtlich eines Flutens und ein Auslösen einer Korrekturwirkung, wenn ein Fluten auftritt. Genauer wird ein Druckabfallsensormittel verwendet, um den Druckabfall ΔP_o zwischen den Sauerstoffversorgungs- und -Austragsverteilern bei einer bestimmten elektrischen Entladerate des Stapels zu bestimmen. Dieser ΔP_o wird dann mit Druckabfällen verglichen, die vorher empirisch durch Messen des Druckabfalls ΔP_R bei der gleichen elektrischen Entladerate über die Sauerstoffströmungsfelder eines nicht gefluteten Referenzbrennstoffzellenstapels bestimmt wurden, dessen Sauerstoffströmungsfelder in im Wesentlichen zu den Sauerstoffströmungsfeldern des zu überwachenden Stapels identisch sind. Wenn der ΔP_o gleich einer vorbestimmten Schwelle eines unakzeptablen Druckabfalls ist oder diese überschreitet, die durch den Konstrukteur des Stapels auf einem Niveau oberhalb des Referenzdruckabfalls ΔP_R festgesetzt ist, wird ein Signal erzeugt, das korrektive Maßnahmen einleitet, um ein Fluten der Sauerstoffströmungsfelder zu reduzieren. Beispielsweise kann die Schwelle des nicht akzeptablen Sauerstoffdruckabfalls um 20% größer als der Referenzdruckabfall ΔP_R festgesetzt sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein ähnlicher Prozess verwendet, um den Druckabfall ΔP_h über die Wasserstoffströmungsfelder mit einem Referenzdruckabfall für den Wasserstoff zu vergleichen.
Geeignete Korrekturaktionen umfassen: (1) Alarmieren des Stapelbedieners für eine manuelle Korrektur der Situation; (2) automatisches Erhöhen der Massendurchflussrate (bevorzugt) des bzw. der Reaktandengase, um jegliches in dem bzw. den Strömungsfeldern angesammeltes Wasser in einen oder mehrere entsprechende Austragsverteiler zu drängen; (3) automatisches Verringern des Absolutdrucks des bzw. der Reaktandengase, um eine Verdunstung und Spülung des Wassers in und aus dem bzw. den Strömungsfeldern zu unterstützen; (4) automatisches Entfeuchten des bzw. der Reaktandengase, um ein Verdunsten von Wasser in dem bzw. den Strömungsfeldern zu unterstützen; (5) automatisches Verringern der Austragsrate des Stapels, um die Rate zu reduzieren, mit der Wasser elektrochemisch in dem Stapel gebildet wird; oder (6) Kombinationen des vorher Erwähnten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapels und eines Flutungsüberwachungssystems dafür ist; und
2 ein Flussschaubild ist, das den Prozess der vorliegenden Erfindung zeigt, der dazu verwendet wird, das Fluten des Stapels zu überwachen und Korrekturmaßnahmen einzuleiten, wenn das Fluten auftritt.
3 ein Satz Kurven ist, die Druckabfälle über ein Sauerstoffströmungsfeld in einem gefluteten und nicht gefluteten Zustand zeigt.
4 ein Ausdruck des Druckabfalls über ein Sauerstoffströmungsfeld vor und nach einer Entfeuchtung des Sauerstoffzufuhrstroms ist.
Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt einen Stapel 2 aus einzelnen Brennstoffzellen 4, von denen jeder eine Membranelektrodenanordnung 6 umfasst, die eine protonenleitende Harzmembran 8 mit einer Anode 10 auf ihrer einen Seite und einer Kathode 12 auf ihrer entgegengesetzten Seite aufweist. Benachbart der Kathode 12 ist ein Kathodenströmungsfeld 14 vorgesehen, das ein sauerstoffreiches Gas (d.h. bevorzugt Luft) durch und in Kontakt mit der Kathode 12 führt. Ähnlicherweise ist benachbart der Anode 10 ein Anodenströmungsfeld 16 vorgesehen, um Wasserstoffbrennstoff durch und in Kontakt mit der Anode 10 zu bringen. Die Membran 8 umfasst bevorzugt ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer, wie beispielsweise NAFION^®, wie es in der PEM-Brennstoffzellentechnik gut bekannt ist. Jede einzelne Zelle 4 ist von der nächsten in dem Stapel 2 durch eine bipolare Platte 18 getrennt, die eine leitende Platte (beispielsweise Metall, Kohlenstoff, etc.) ist, die die verschiedenen Zellen voneinander trennt, während ein Fluss von elektrischem Strom hindurch direkt von einer Zelle zu der nächsten in einer elektrischen Reihenschaltung der mehreren Zellen 4 in dem Stapel zugelassen wird. Die bipolaren Platten 18 umfassen eine Vielzahl von Rippen oder Stegen (nicht gezeigt) daran, die mit der Anode 10 und Kathode 12 in Eingriff stehen und Strom davon sammeln. Die Rippen bzw. Stege definieren eine Vielzahl von Nuten oder Kanälen (nicht gezeigt), die Strömungsfelder 14, 16 bilden, durch die das O₂ bzw. H₂ strömen. Die Endplatten 20 und 22 enden in dem Stapel und definieren die jeweiligen Kathoden- und Anodenströmungsfelder für die Endzellen des Stapels. Ein Kathodengasversorgungsverteiler 24 verteilt das Kathodengas (beispielsweise Luft) an die verschiedenen Kathodenströmungsfelder 14. Ähnlicherweise verteilt ein Anodenversorgungsverteiler 26 Wasserstoffbrennstoff an die verschiedenen Anodenströmungsfelder 16. Ein Wasserstoffaustragsverteiler 28 sammelt nicht gebrauchten Wasserstoff von den verschiede nen Anodenströmungsfeldern 16. Nicht verbrauchtes H₂ kann an den Versorgungsverteiler 26 zur Wiederverwendung rückgeführt werden oder an einer andere Stelle in dem System verwendet werden (beispielsweise um Brenner zu heizen, die den Brennstoffreformer des Systems heizen). Ähnlicherweise sammelt ein Kathodenabgasverteiler 30 Abgas von den Kathodenströmungsfeldern 14.
Ein erster Drucksensor 32 steht mit dem Kathoden-O₂/Luft-Versorgungsverteiler 24 in Verbindung, und ein zweiter Sensor 34 steht mit dem Kathoden-O₂/Luft-Austragsverteiler 30 in Verbindung. Der Flutungsüberwachungsprozess der vorliegenden Erfindung muss nur für die Kathodenströmungsfelder 14 verwendet werden, bei denen sich das Wasser schnell aufgrund der Bildung von Reaktionswasser darin ansammelt. Es ist jedoch erwünscht, genauso gut auch die Anodenströmungsfelder zu überwachen, und wenn dies gemacht wird, steht ein dritter Drucksensor 36 in Verbindung mit dem Wasserstoffversorgungsverteiler 26, und ein vierter Drucksensor 38 steht mit dem Wasserstoffaustragsverteiler 28 in Verbindung, um auch ein Fluten des Anodenströmungsfeldes 16 zu überwachen. Ansonsten werden nur die Kathodenströmungsfelder 14 überwacht.
Der Sensor 32 misst den Druck in dem Versorgungsverteiler 24 und sendet ein Signal 40 an eine Datensammeleinheit 42. Der Sensor 34 misst den Druck in dem Austragsverteiler 30 und sendet ein Signal 44 an die Datensammeleinheit 42. Ähnlicherweise misst der Sensor 36 den Druck in dem H₂-Versorgungsverteiler 26 und sendet ein Signal 41 an die Datensammeleinheit 42, während der Sensor 38 den Druck in dem H₂-Austragsverteiler 28 misst und ein Signal 39 an die Datensammeleinheit 42 liefert. Die Datensammeleinheit 42 ist im Wesentlichen einem Analog /Digitalwandler, der digitale Datenströme 45 und 46 an einen Mikroprozessor 48 liefert, der die Druckdifferenz (d.h. den Druckabfall ΔP) zwischen den passenden Versorgungs- und Austragsverteilern berechnet. Gleichzeitig erfasst ein Sensor für elektrischen Strom, beispielsweise ein Amperemeter (nicht gezeigt) den von dem Stapel gezogenen Strom und sendet ein Signal an einen Mikroprozessor 48, das den gezogenen Strom angibt. Der Mikroprozessor 48 berechnet die Druckdifferenzen ΔP zwischen den Versorgungs- und Austragsverteilern und vergleicht anschließend diese Druckabfälle (ΔP) in dem überwachten Stapel mit Referenzdruckabfällen, die bei denselben Stromflussniveaus (ΔP_R) genommen und in der Referenzbibliothek 50 gespeichert sind. Wenn ein Differenzdruckwandler verwendet wird, besteht kein Bedarf nach der ΔP-Berechnung und der von dem Wandler registrierte ΔP kann direkt mit den Referenzdruckabfällen verglichen werden. Sauerstoffreferenzdruckabfälle (ΔP_R) werden dadurch bestimmt, dass der Druckabfall über Sauerstoffströmungsfelder eines Referenzbrennstoffzellenstapels gemessen werden, die im Wesentlichen identisch zu den Strömungsfeldern des zu überwachenden Stapels sind und die in einem nicht gefluteten Zustand betrieben werden. Der Referenzstapel muss kein separater Stapel sein, sondern kann der zu überwachende Stapel sein, muss jedoch unter gesteuerten Bedingungen betrieben werden, um ein Fluten zu verhindern. Die Referenz-ΔP_R-Druckabfälle werden bei verschiedenen Stapelaustragsraten (d.h. Stromfluss) gemessen und repräsentieren akzeptable Druckabfälle. Ein Schwellenniveau eines unakzeptablen Druckabfalls für jede Entladerate wird dann oberhalb (beispielsweise +20%) der gemessenen Rate festgesetzt und als der Referenzwert verwendet, oberhalb dem eine Korrekturaktion ausgelöst wird. Diese Schwelle des nicht akzeptablen Druckabfalls wird in der Bibliothek 50 zum Vergleich mit den tatsächlichen ΔP_o's gespeichert, die von dem zu überwachenden Stapel bestimmt werden. Beispielsweise ist eine Kurve A von 3 ein Ausdruck der Druckabfälle, die bei verschiedenen Sauerstoffströmungsraten in einem nicht gefluteten Stapel gemessen werden, der eine bestimmte Ausgestaltung des Sauerstoffströmungsfelds besitzt. Ein Fluten eines überwachten Stapels wird angegeben, wenn die Kurve C des gemessenen ΔP_o bei einer gegebenen Sauerstoffströmungsrate (die einer bestimmten elektrischen Entladerate entspricht) ein vorbestimmtes Schwellenniveau überschreitet. Daher wird beispielsweise die Kurve B von 3 um 20% höher als die aktuell gemessenen Druckabfälle (d.h. Kurve A) in dem nicht gefluteten Stapel festgesetzt und repräsentiert die Schwelle von nicht akzeptablen Druckabfällen, oberhalb denen eine Korrekturaktion erforderlich ist. Wenn der ΔP_o des überwachten Stapels (siehe Kurve C von 3) den vorbestimmten Schwellenwert (Kurve B) bei einer bestimmten Stapelaustragsrate überschreitet, sendet der Mikroprozessor 48 ein Signal 52 an einen Systemcontroller 54, das den Stapelbediener alarmiert und/oder automatisch eine oder mehrere aus verschiedenen möglichen Alternativen zur Korrektur des Flutens einleitet. Die vorher erwähnten Prozessschritte sind in dem in 2 gezeigten Prozessablaufdiagramm dargestellt.
Der Mikroprozessor 48 umfasst einen üblichen Digitalcomputer mit einem zugeordneten Nurlesespeicher (ROM), einem Schreib-Lese-Speicher (RAM), einem elektrisch programmierbarem Nurlesespeicher (EPROM), einem Speicher zum Speichern einer Bibliothek von vorbestimmtem Referenz- H₂ und -O₂ für Druckabfälle bei verschiedenen Stapelaustragsraten zum Vergleich mit den Druckabfällen, die von dem überwachten Stapel erzeugt werden, und Eingabe/Ausgabe-Abschnitte, die Schnittstellen mit der Datensammeleinheit 42 und einem Systemcontroller 44 bilden, der den Betrieb des Stapels 2 steuert. Der Nurlesespeicher (ROM) des Digitalcomputers enthält die Anweisungen, die notwendig sind, um die grundsätzlichen Eingabe/Ausgabeanweisungen zu implementieren. Der elektrisch programmierbare Nurlesespeicher (EPROM) enthält die Anweisungen, die notwendig sind, um die dem Datenprozessor eigenen internen Steuer-, Datenverarbeitungs- und Kommunikationsalgorithmen zu implementieren. Der Mikroprozessor 48 kommuniziert mit der Datensammeleinheit 42 und dem Systemcontroller 54 durch ein geeignetes Kommunikationsnetzwerkprotokoll, von denen in der Technik viele bekannt sind. Ein standardmäßiger 486- oder Pentium-Computer mit 16 Megabyte RAM und mit Windows^® 3.1 oder Windows^® 95, der mit einem ACB 530-Buscontrollboard ausgestattet ist, ist für diesen Zweck angemessen. Ein spezifisches Programm zum Ausführen der Funktionen des Prozessors 74 kann durch Standardfachwissen unter Verwendung herkömmlicher Informationsverarbeitungssprachen erreicht werden.
Eine Form der korrektiven Aktion, die unternommen werden könnte, um ein Fluten zu verringern, besteht in einer Entfeuchtung des bzw. der Reaktandenströme durch Unterbrechen der Zugabe von Wasser dazu oberstromig des Stapels. Daher kann beispielsweise der Wasserinjektor, der dazu verwendet wird, den Strom zu befeuchten, einfach für so lange ausgeschaltet werden, wie es nötig ist, um das Strömungsfeld auszutrocknen. 4 zeigt die Ergebnisse eines Tests und stellt einen Ausdruck des Druckabfalls über das Kathodenströmungsfeld einer Brennstoffzelle als eine Funktion der Zeit dar. Unter Verwendung befeuchteter Reaktanden kann sich Wasser in dem Strömungsfeld während der ersten 4000 Betriebssekunden ansammeln und der Druckabfall aufbauen. Nachdem 4000 Sekunden vergangen sind, werden die befeuchteten Reaktanden durch trockene Reaktanden ersetzt, und der Druckabfall nimmt auf den Startdruckabfall innerhalb etwa 1000 Sekunden ab, wenn das Strömungsfeld ausgetrocknet wird. Eine bevorzugte Alternative zur Entfeuchtung besteht darin, die Massendurchflussrate der Reaktanden beispielsweise durch Erhöhung der Abgabe des Systemkompressors oberstromig des Stapels zu erhöhen, um das Wasser aus den O₂-Strömungsfeldern zu drängen. Diese letzte Methode ist bevorzugt, da sie den schnellsten Weg darstellt, die Strömungsfelder von ungewolltem Wasser zu spülen, so dass normale Betriebsabläufe wieder aufgenommen werden können. Eine Erhöhung der Strömungsrate erhöht auch den Druckabfall, der die zusätzliche Kraft vorsieht, die erforderlich ist, um das Strömungsfeld frei zu blasen. Sie erhöht gleichermaßen die Strömungsgeschwindigkeit durch das Feld, was seinerseits eine größere Scherkraft vorsieht, um eine Tröpfchenbewegung durch das Feld zu bewirken.
Während die Erfindung hauptsächlich in Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen offenbart worden ist, ist nicht beabsichtigt, dass diese darauf beschränkt ist, sondern vielmehr nur auf den Umfang, der anschließend in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Brennstoffzellensystemstapel aus H₂-O₂-PEM-Brennstoffzellen, von denen jede grundsätzlich umfasst: eine Protonenaustauschmembran mit einer Anode und einer Kathode, die jeweils an entgegengesetzten ersten und zweiten Flächen befestigt sind, ein Wasserstoffströmungsfeld benachbart der Anodenelektrode, um Wasserstoff in Kontakt mit der Anode zu bringen, und ein Sauerstoffströmungsfeld benachbart der Kathode, um ein Sauerstoffträgergas in Kontakt mit der Kathode zu bringen, einen Wasserstoffversorgungsverteiler, um Wasserstoff an das Wasserstoffströmungsfeld zu liefern, einen Sauerstoffversorgungsverteiler, um das Sauerstoffträgergas an das Sauerstoffströmungsfeld zu liefern, einen Wasserstoffaustragsgasverteiler, um Wasserstoff von dem Wasserstoffströmungsfeld aufzunehmen, und einen Sauerstoffaustragsgasverteiler, um Sauerstoffträgergas von dem Sauerstoffströmungsfeld aufzunehmen, wobei ein erstes Drucksensormittel, das mit den Sauerstoffversorgungs- und Austragsverteilern in Verbindung steht, um einen ersten Druckabfall zwischen den Sauerstoffversorgungs- und Austragsverteilern zu bestimmen, und ein Systemcontroller vorgesehen ist, der auf den ersten Druckabfall reagiert, um den Bediener des Stapels zu alarmieren und/oder Korrekturmaßnahmen einzuleiten, wenn der erste Druckabfall ein erstes vorbestimmtes Unzulässigkeitsschwellenniveau überschreitet.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, mit einem zweiten Drucksensormittel, das mit den Wasserstoffversorgungs- und Austragsverteilern in Verbindung steht, um einen zweiten Druckabfall zwischen den Wasserstoffversorgungs- und Austragsverteilern zu bestimmen, und einem Systemcontroller, der auf den ersten Druckabfall reagiert, um den Bediener des Stapels zu alarmieren und/oder Korrekturmaßnahmen einzuleiten, wenn der zweite Druckabfall ein zweites vorbestimmtes Unzulässigkeitsschwellenniveau überschreitet.
Verfahren zum Überwachen eines Stapels aus H₂-O₂-PEM-Brennstoffzellen bezüglich Fluten und zum Alarmieren des Bedieners des Stapels und/oder zum Auslösen von Korrekturmaßnahmen, wenn ein Fluten auftritt, wobei der Stapel eine Vielzahl von H₂-O₂-PEM-Brennstoffzellen umfasst, von denen jede grundsätzlich umfasst: eine Protonenaustauschmembran mit einer Anode und einer Kathode, die jeweils an entgegengesetzten ersten und zweiten Flächen befestigt sind, ein Wasserstoffströmungsfeld benachbart der Anodenelektrode, um befeuchteten Wasserstoff in Kontakt mit der Anode zu bringen, und ein Sauerstoffströmungsfeld benachbart der Kathode, um ein befeuchtetes Sauerstoffträgergas in Kontakt mit der Kathode zu bringen, einen Wasserstoffversorgungsverteiler, um befeuchteten Wasserstoff an das Wasserstoffströmungsfeld zu liefern, einen Sauerstoffversorgungsverteiler, um befeuchtetes Sauerstoffträgergas an das Sauerstoffströmungsfeld zu liefern, einen Wasserstoffaustragsgasverteiler, um Wasserstoff von dem Wasserstoffströmungsfeld aufzunehmen, und einen Sauerstoffaustragsgasverteiler, um Sauerstoffträgergas von dem Sauerstoffströmungsfeld aufzunehmen, mit den Schritten, dass: a. der Druckabfall ΔP₀ zwischen den Sauerstoffversorgungs- und Austragsverteilern bei einer bestimmten elektrischen Entladerate des Stapels bestimmt wird; b. von einem nicht gefluteten Referenzbrennstoffzellenstapel mit Sauerstoffströmungfeldern, die den Sauerstoffströmungsfeldern des zu überwachenden Stapels ähneln, eine Vielzahl von Sauerstoffreferenzdruckabfällen ΔP_R bei verschiedenen elektrischen Entladeraten bestimmt wird; c. aus den Referenzdruckabfällen, die bei Schritt b bestimmt wurden, eine vorbestimmte Schwelle eines nicht akzeptablen Sauerstoffdruckabfalls für verschiedene elektrische Entladeraten des Stapels festgelegt wird; d. der ΔP_o, der bei Schritt a bestimmt wird, mit dem Sauerstoffreferenzdruckabfall ΔP_R, der bei Schritt bei bestimmt wurde, bei derselben Entladerate, bei der der Stapel überwacht wird, verglichen wird; e. ein erstes Signal von Schritt d ausgegeben wird, wenn ΔP₀ gleich der vorbestimmten Schwelle des nicht akzeptablen Sauerstoffdruckabfalls ist oder diese überschreitet; und f. in Ansprechen auf das erste Signal Korrekturmaßnahmen zum Reduzieren eines Flutens der Sauerstoffströmungsfelder eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, mit dem Schritt, dass die Massendurchflussrate des Sauerstoffträgergases erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, mit dem Schritt, dass der Absolutdruck des Sauerstoffträgergases verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, mit dem Schritt, dass das Sauerstoffträgergas im Wesentlichen entfeuchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, umfassend, dass: g. der Druckabfall ΔP_h zwischen den Wasserstoffversorgungs- und Austragsverteilern bei einer bestimmten elektrischen Entladerate des Stapels bestimmt wird; und h. von einem nicht gefluteten Referenzbrennstoffzellenstapel mit Wasserstoffströmungsfeldern, die den Wasserstoffströmungsfeldern des zu überwachenden Stapels ähneln, eine Vielzahl von Wasserstoffreferenzdruckabfällen ΔP_R bei verschiedenen elektrischen Entladeraten bestimmt wird; i. aus den Wasserstoffreferenzdruckabfällen, die bei Schritt h bestimmt wurden, eine vorbestimmte Schwelle für einen nicht akzeptablen Wasserstoffdruckabfall für verschiedene elektrische Entladeraten des Stapels festgelegt wird; j. das ΔP_h, das bei Schritt g bestimmt wurde, mit dem Wasserstoffreferenzdruckabfall ΔP_R, der bei Schritt h bestimmt wurde, bei derselben Entladerate, bei der der Stapel überwacht wurde, verglichen wird; k. ein zweites Signal von Schritt j ausgegeben wird, wenn ΔP_h gleich der vorbestimmten Schwelle des nicht akzeptablen Wasserstoffdruckabfalls ist oder diese überschreitet; und l. in Ansprechen auf das zweite Signal Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, um ein Fluten der Wasserstoffströmungsfelder zu reduzieren.