SE519653C2 - Förfarande och utrustning för förhindrande av kylning av elektrokemiska anordningar - Google Patents

Description

25 30 35 519 653 ' 1 k " 'I '11 -C QH-.fl sluten till last, kan bransieceiien frysa. w U! FT' g) (TD FY' kan också göra att bränslecellen fryser.

Den mest problematiska frysningen äger rum i bräns- leceller av solid-polymer-elektrolyttyp. En överdrivet låg temperatur kan också orsaka svårigheter eller åtmin- stone göra starten långsam i andra typer av bränslecel- ler, såsom t ex de av alkalityp, fosforsyretyp etc. I bränsleceller av solid-polymertyp är nyckelkomponenten ett membran som leder protoner, vilket membran innehåller huvudsakligen vatten. Om vattnet i membranet fryser för- hindrar detta ledning av protonerna i membranet, och bränslecellen kan inte fungera. Frysning kan också perma- nent skada strukturen i bränslecellen genom att utsätta cellen för mekanisk påfrestning.

Stelnande eller försvagning av funktionen vid tempe- raturer som är lägre än normal temperatur är också ett problem i bränsleceller som arbetar vid högre tempera- turer.

Beträffandet teknikens ståndpunkt görs hänvisning till publikationen JP-59-214166, i vilken publikation ett yttre, vilket värmer elektriskt värmeaggregat föreslås, kvävgas. Med hjälp av detta förhindras frysning av fos- forsyra i bränsleceller av fosforsyretyp. Ändamålet med uppfinningen år att åstadkomma en för- bättring i förhållande till lösningarna enligt teknikens ståndpunkt. Ett mer specifikt ändamål med uppfinningen är att åstadkomma förfaranden och en utrustning med hjälp av vilka det är möjligt att förhindra skadlig kylning av elektrokemiska anordningar på ett pålitligt sätt.

Förfarandet enligt uppfinningen kännetecknas av att den elektriska ström som flyter genom nämnda ytterligare last skärs av vid en viss frekvens, och att pulsbredden justeras så att den effektiva ström som flyter genom den ytterligare lasten hålls invariabel; alternativt att en last med invariabel ström används som en ytterligare last, vilken last med invariabel ström styrs av temperaturmåtkretsen; alternativt att en last med l0 15 20 25 30 35 519 653 el ström används som aärnda y varvid lasten med invariabel ström justeras med en funktion av den yttre temperaturen; eller alternativt att en last med invariabel ström används som nämnda ytter- ligare last, varvid lasten med invariabel ström justeras som en funktion av temperaturändringen hos bränslecellen eller hos omgivningen.

Utrustningen i enlighet med uppfinning kännetecknas av att belastningsorganet utgörs av en last med invariabel ström.

I lösningen enligt uppfinningen mäts temperaturen hos den elektrokemiska anordningen, t ex cellbatteriet i en bränslecell, och dä temperaturen faller under en viss, förvald nedre gräns Tminmum, ansluts den ytterligare lasten till den elektrokemiska anordningen. Dä den ytter- ligare lasten är ansluten börjar den elektriska strömmen cirkulera genom den krets som består av den ytterligare lasten och bränslecellens inre resistans. Den elektriska ström som flyter genom bränslecellen värmer dä bränsle- cellen, och dess temperatur börjar stiga. På samma gäng alstrar den ökade lasten automatiskt en ökning av bränslecellens funktionsnivà och en ökning i värmealst- ringen. Den ytterligare lasten kopplas bort dä tempera- turen hos den elektrokemiska anordningen stiger och när en viss, förvald övre gräns Tmaximum. Det överskottsvärme som bildas i själva den ytterligare lasten kan också användas som uppvärmning av cellbatteriet genom t ex fästning av den ytterligare lasten nära eller t ex t o m pä bränslecellens cellbatteri. Man rekommenderar mätning av temperaturen frän den kallaste punkten hos plattupp- sättningen i bränslecellen, t ex fràn kanten av plattupp- sättningen och företrädesvis fràn cellbatteriets änd- platta. Temperaturen kan också mätas från inuti cellbat- teriet.

Den förinställda, nedre temperaturgränsen Tminimum väljs beroende pä den typ av elektrokemisk anordning som alstrar elektricitet och pà den sort av elektrodstruktur lO 15 20 25 30 35 519 653 4 fi A M « fi T y-'åwflfl 4 .Dum aiivaliuc .L och clcktrolyt varje fall. I alla fall n är den valda Tminimum högre än frystemperaturen eller stel- ningstemperaturen för den aktuella elektrolyten, eftersom frysning eller stelning av elektrolyten orsakar mekaniska påfrestningar som kan vara skadliga för bränslecellen, och bränslecellen startar inte alls då elektrolyten är fast. Emellertid skiljer sig de normala områdena för arbetstemperatur kraftigt mellan olika typer av bränsle- celler. Den elektrolyt som innehåller vatten används t ex i solid-polymerbränsleceller (SPFC) och i alkaliska bränsleceller, i vilka området för arbetstemperatur van- ligtvis är 50...80°C. Andra bränslecellstyper är bränsle- celler av solid-oxid-typ (SOFC), vilkas arbetstemperatur är i storleksordningen lOOO°C, bränsleceller av typ smält (MCFC), och bränsleceller av fosforsyretyp karbonat vilkas arbetstemperatur är 500...600°C, (PAFC), temperatur är mellan 180 och 300°C. Funktionen hos vilkas arbets- bränslecellerna försämras ytterligare då temperaturen gär ner längre från den normala arbetstemperaturen, och på motsvarande sätt dröjer det längre att nå den normala funktionen. Således, enligt uppfinningen, är det möjligt att välja minimitemperaturen Tminimum i varje fall åtminstone så hög att bränslecellen fortfarande arbetar vid den berörda temperaturen och det år möjligt att använda uppvärmningssättet i enlighet med uppfinningen.

Maximum för den övre temperaturgränsen Tmaximum bestäms naturligtvis av den högsta, tillåtna arbetstem- peraturen för den berörda typen av bränslecell. Emeller- tid är det tillrådligt att välja maximitemperaturen så att den är så nära minimitemperaturen som möjligt för att minimera elförbrukningen. En lämplig skillnad i tempera- tur mellan den övre och nedre gränsen kan således vara t ex l...20°C, men den kan också vara avsevärt högre, spe- ciellt i fallet med bränsleceller som arbetar vid högre temperaturer.

Det är möjligt att utföra inkopplingen och bortkopp- lingen av den ytterligare lasten på vilket sätt som helst lO 15 20 25 30 35 519 653 "I_'._.J_ A..._1-.__'1-_.-.. lliiljl, LCIXLLLÅCLLD' Det är m^jligt att arvärda en lämplig strömkrets som består av en eller flera tem- peraturdetektorer och ett elektriskt anslutningsorgan för ändamålet.

I sin enklaste form kan den ytterligare lasten bestå av en resistans, som parallellkopplas med bränslecellen då den senares temperatur faller under minimitemperatu- ren, och som kopplas bort efter det att temperaturen har stigit till det inställda, övre temperaturvärdet. Mot- ståndets resistansvärde väljs då så att den ström som flyter genom det inte är högre än det högsta tillåtna värde för den ström som flyter genom bränslecellen.

I enlighet med en utföringsform av uppfinningen är det möjligt att välja resistansvärdet hos den ytterligare lasten så att det är mycket lågt, dvs resistansen orsakar en anmärkningsvärt hög belastning på bränslecellen och således förorsakar en snabb höjning av temperaturen. I enlighet med uppfinningen kan den ytterligare lasten vara så hög att den förorsakar en ström som är jämförbar med I ett sådant fall läggs en strömkrets företrädesvis till den en kortslutning av bränslecellen eller nära detta. ytterligare lasten, vilken krets skär strömmen vid en viss frekvens och justerar pulsbredden genom justering av effektivvärdet hos strömmen till den önskade nivån.

Medelst pulsbreddmodulering är det också möjligt att justera den resistans som utgör en ytterligare last som en last med invariabel ström genom ändring av pulsbred- den. Då är pulsbredden proportionell mot den effektiva strömmen.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj med hän- visning till vissa föredragna utföringsformer av uppfin- ningen, vilka visas i figurerna på de bifogade ritningarna, varvid uppfinningen emellertid inte ska begränsas till endast dessa utföringsformer.

Fig l visar schematiskt den ledningsdragning som används i förfarandet enligt uppfinningen. 10 l5 20 25 30 35 519 655 funktion av tiden som används i förfarandet enligt föreliggande uppfinning.

Fig 3 visar grafiskt ett sätt för strömtillförsel som en funktion av tiden som används i en andra, föredragen utföringsform av förfarandet i enlighet med uppfinningen.

I fig 1 betecknas den elektrokemiska anordningen allmänt med hänvisningsbeteckning 10. I denna utförings- form är den elektrokemiska anordningen en bränslecell, vars pluspol betecknas med hänvisningbeteckning 11 och minuspolen med hänvisningsbeteckning 12. De individuella cellerna i bränslecellen betecknas med hänvisningsbeteck- ning 13 och en ändplatta med hänvisningsbeteckning 13a.

Temperaturmätdetektorn 14 är fäst vid ändplattan 13a.

Temperaturindikatorn betecknas med hänvisningsbeteckning 15. Belastningen av den elektrokemiska anordningen 10 betecknas med hänvisningsbeteckning 16.

Dä temperaturindikatorn 15 visar att temperaturen har fallit under den förvalda, nedre gränsen vid tidpunk- ten t0, ansluter anslutningsorganet K den ytterligare lasten, vilket är motståndet 17 i denna utföringsform, till strömkretsen, och sedan är den totala strömmen Itotal = Ilast + Ijustering~ Temperaturen hos bränslecellen 10 stiger i enlighet med fig 2 och, dà temperaturen när den förvalda, övre gränsen Tmaximum vid tidpunkten tl, kopplas anslutnings- organet fràn.

I en föredragen utföringsform av förfarandet i enlighet med uppfinningen, är det möjligt att ersätta motståndet 17 med en last med invariabel ström, vilken styrs av temperaturmätkretsen. Den förvalda lasten med invariabel ström är vald så att, inom en viss, förmodad minimiomgivningstemperatur Tminimum Omgivning, t ex -10°C, sjunker temperaturen hos plattuppsättningen i bränslecellen 10 aldrig under en viss miniminivà, t ex +4°C. Detta är en exaktare metod och en lättare lösning lO 15 20 25 519 653 än det ovan beskrivna syste last, vilket visas i fig 2. Det är möjligt att justera belastningen med invariabel ström också som en funktion av temperaturen hos omgivningen, vilken emellertid inte får mätas alltför nära uppvärmningsmotståndet eller bränslecellen.

I en andra föredragen utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen, är det möjligt att justera lasten med invariabel ström som en funktion av ändringen i tem- peratur AT i bränslecellen. Temperaturändringen AT alstras av belastning. Detta betyder att då temperaturen når miniminivän Tminimum, t ex +4°C, slås lasten med invariabel ström till t ex till bränslecellen med ett visst minimivärde. Därefter ökas strömmen I i vissa tidsintervall At, om temperaturen T hos bränslecellen inte har ökat tillräckligt eller om temperaturen T inte har ökat alls, med ett visst, invariabelt värde dl tills den övre gränsen Tmaximum, t ex +7°C, har uppnåtts eller hastigheten för ändringen i temperatur T är tillräckligt hög, såsom visas i fig 3.

Ovan har endast vissa föredragna utföringsformer av uppfinningen beskrivits, och det är uppenbart för en fackman pä området att det är möjligt att göra ett otal modifieringar av utföringsformerna inom omfattningen av den patenterbara idé som presenteras i de efterföljande kraven.

Claims (3)

1. 0 15 20 25 30 35 519 653 8 PATENTKRAV 1. Förfarande för förhindrande av kylning av elek- (10) enligt vilket förfarande temperaturen hos den elektro- (10) förinställd, nedre gräns, trokemiska anordningar som alstrar elektricitet, kemiska anordningen mäts och, dä temperaturen faller under en viss, Tminimum, an- (17) som är åtminstone tillräckligt hög för att den ström som den (io), kopplas bort från sluts till anordningen en ytterligare last alstrar ska värma den elektrokemiska anordningen och att nämnda ytterligare last (17) den elektrokemiska anordningen (10) då temperaturen har uppnått en viss, förvald, övre gräns, Tmaximum, av att den elektriska ström som (17) k ä n n e t e c k n a t flyter genom nämnda ytterligare last skärs av vid en viss frekvens, och att pulsbredden justeras sä att den effektiva ström som flyter genom den ytterligare lasten (17) hälls invariabel.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den elektriska resistansen hos nämnda ytterligare last (17) är låg jämfört med den elektrokemiska anord- (10)

3. Förfarande för förhindrande av kylning av elek- ningens inre resistans. trokemiska anordningar (10) som alstrar elektricitet, enligt vilket förfarande temperaturen hos den elektro- (10) förinställd, nedre gräns, kemiska anordningen mäts och, då temperaturen faller under en viss, an- Tminimum/ (17) åtminstone tillräckligt hög för att den ström som den (10), (17) kopplas bort fràn (10) sluts till anordningen en ytterligare last som är alstrar ska värma den elektrokemiska anordningen och att nämnda ytterligare last den elektrokemiska anordningen då temperaturen har uppnått en viss, förvald, övre gräns, Tmaximumf av att en last med invariabel (17), med invariabel ström styrs av temperaturmätkretsen. k ä n n e t e c k n a t ström används som en ytterligare last vilken last 10 15 20 25 30 35 519 653 k ä n n c t c c k n a t av att lasten med invariabel ström väljs att vara sådan att, med en viss, förmodad minimiomgivningtemperatur, Tminimum Omgivning, sjunker aldrig temperaturen hos den elektrokemiska anordningen (10) under en viss, förvald miniminivå. 5. Förfarande för förhindrande av kylning av elek- (10) enligt vilket förfarande temperaturen hos den elektro- trokemiska anordningar som alstrar elektricitet, kemiska anordningen (10) mäts och, då temperaturen faller under en viss, förinställd, nedre gräns, an- Tminimumf (17) åtminstone tillräckligt hög för att den ström som den (10), kopplas bort från sluts till anordningen en ytterligare last som är alstrar ska värma den elektrokemiska anordningen (17) (10) och att nämnda ytterligare last den elektrokemiska anordningen då temperaturen har uppnått en viss, förvald, övre gräns, Tmaximum, av att en last med invariabel (17), lasten med invariabel ström justeras med en funktion av k å n n e t e c k n a t ström används som nämnda ytterligare last varvid den yttre temperaturen, Tyttre. 6. Förfarande för förhindrande av kylning av elek- (10) enligt vilket förfarande temperaturen hos den elektro- (10) förinställd, nedre gräns, trokemiska anordningar som alstrar elektricitet, kemiska anordningen mäts och, då temperaturen faller under en viss, Tminimum, an- sluts till anordningen en ytterligare last (17) åtminstone tillräckligt hög för att den ström som den (10), kopplas bort från som är alstrar ska värma den elektrokemiska anordningen (17) (10) övre gräns, och att nämnda ytterligare last den elektrokemiska anordningen då temperaturen har uppnått en viss, förvald, Tmaximumf av att en last med invariabel (17), k ä n n e t e c k n a t ström används som nämnda ytterligare last varvid lasten med invariabel ström justeras som en funktion av (AT) temperaturändringen hos bränslecellen eller hos omgivningen. 10 l5 20 25 30 35 519 653 10 7. Förfarande enligt krav 6, k äillie t e c k n a t av att om temperaturen ( (10) stigit alls, T) hos den elektrokemiska anord- ningen inte har stigit tillräckligt eller inte har ökas strömmen hos lasten med invariabel ström i vissa tidsintervall med ett viss invariabelt (dI) uppnåtts eller hastigheten hos ändringen i temperatur (T) värde tills den förvalda, övre gränsen, Tmaximum har är tillräcklig hög. 8. Utrustning för förhindrande av kylning av elek- (10) vilken utrustning inkluderar ett styrorgan trokemiska anordningar som alstrar elektricitet, (14, 15, K) som mäter temperaturen och utför tillslagning vid en viss, låg temperatur och fränslagning vid en viss, hög temperatur, (17) och ett organ som belastar den elektrokemiska anordningen (10), vilket belastningsorgan, genom inverkan av nämnda styrorgan, slås till vid nämnda làga temperatur och orsakar alstring av en elektrisk ström som flyter genom den elektrokemiska anordningen (10) inverkan av styrorganet, och värmer den, och vilket belastningsorgan, genom kopplas bort vid nämnda höga temperatur för att slå ifrån den elektriska ström som (10) (17) värmer den elektrokemiska anordningen k ä n n e - t e c k n a d av att belastningsorganet utgörs av en last med invariabel ström. 9. Utrustning enligt krav 8, (17) k ä n n e t e c k n a d av att belastningsorganet är ett halvledarkopplings- don. 10. Utrustning enligt krav 8 eller 9, t e c k n a d (17) ändplatta k ä n n e - är fäst vid (13a) . k ä n n e - av att belastningsorganet (10) 11. Utrustning enligt krav 8 eller 9, (17) (10) triskt ledande platta som sammanbinder cellerna, vilken den elektrokemiska anordningens t e c k n a d av att belastningsorganet är fäst inuti den elektrokemiska anordningen vid en elek- infästning är elektriskt isolerande. 519 653 ll 12. Utrustning enligt något av kraven 8 till ll, k ä n n e t e c k n a d av at den elektrokemiska anord- t ningen (10) är en bränslecell.