DE102008047389B4

DE102008047389B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Online-Bestimmung und Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms in einem Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102008047389B4
Application number: DE102008047389A
Authority: DE
Inventors: Patrick Frost; Manish Sinha; Jason R. Kolodziej
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: US7687164B2; DE102008047389A1; CN101393994B; US20090081489A1; CN101393994A

Abstract

Brennstoffzellensystem (200), das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (202) mit mehreren Brennstoffzellen; eine Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (202), wobei die Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) geeignet ist, um einen Hochfrequenzwiderstand HFR des Brennstoffzellenstapels (202) zu messen; einen Feuchtigkeitsregler (208, 210) in fluidtechnischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (202), der geeignet ist, um die relative Feuchtigkeit RH eines Reaktandenstroms in dem Brennstoffzellenstapel innerhalb eines gewünschten Bereiches einzustellen; und einen Controller (212) in elektrischer Verbindung mit der Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) und dem Feuchtigkeitsregler (208, 210); dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (212) eingerichtet ist, um den Feuchtigkeitsregler (208, 210) in Ansprechen auf das Verhältnis d(HFR)/d(RH) zu steuern.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenlegung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Online-Bestimmung der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17, wie aus der DE 10 2006 022 835 A1 bekannt.
Hintergrund der Erfindung
Eine Brennstoffzelle wurde als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere wurde die Brennstoffzelle als eine mögliche Alternative für den traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird. Ein Typ von Brennstoffzelle ist als Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Einzelne Brennstoffzellen sind in Reihe miteinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel ist in der Lage, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreicht, um Leistung an ein Fahrzeug bereitzustellen.
Wie auf dem technischen Gebiet gut bekannt ist, müssen die Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels eine bestimmte relative Feuchtigkeit (RH) für eine effiziente Leistung aufweisen. Oft werden Maßnahmen unternommen, um die Membranhydratation innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten, der die Protonenleitung über die Membranen hinweg optimiert. Zum Beispiel verwendet in dem US-Patent US 6,376,111 B1 , das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, ein Controller eine Rückkopplung, um die Feuchtigkeit einer Brennstoffzellenanordnung zu steuern. Befeuchter oder Wasserdampfübertragungs(WVT)-Vorrichtungen werden herkömmlicherweise verwendet, um Einlass-Reaktandengase zu befeuchten, die an den Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden. Temperatursteuerungsstrategien auf der Basis einer Beziehung zwischen der RH und der Brennstoffzellentemperatur, die z. B. über die Kühlmitteltemperatur gemessen wird, wurden ebenfalls zum Steuern der Membranhydratation verwendet. Es ist ferner bekannt, dass weitere Brennstoffzellenparameter wie z. B. Stöchiometrie und Druck die Brennstoffzellenbefeuchtung beeinflussen.
Der Befeuchtungsgrad in Brennstoffzellensystemen nach dem Stand der Technik wurde in Ansprechen auf eine Vielzahl von Rückkopplungsindikatoren gesteuert, die Einlass-RH-, Auslass-RH-, Temperatur-, Druck-, Durchflussraten- und elektrische Strommessungen umfassen. Allerdings zeigen typische Sensoren, die zum Messen dieser Indikatoren verwendet werden, oft eine Drift und können unzuverlässig sein. Es ist insbesondere bekannt, dass Sensoren für die relative Feuchtigkeit auf Grund von Korrosion und des Aufquellens der Sensoren bei wiederholter Exposition gegenüber flüssigem Wasser in Brennstoffzellenanwendungen von begrenztem Nutzen sind. Daher waren typische Sensoren nicht so effektiv wie erwünscht zum Zweck der Befeuchtungs-Rückkopplungssteuerung in Brennstoffzellensystemen.
Der Hochfrequenzwiderstand (HFR) wurde bisher als eine Offline-Labordiagnosetechnik zum indirekten Messen der MEA-Hydratation in der Brennstoffzelle verwendet. Typische HFR-Sensoren messen einen Wechselstromwiderstand der Brennstoffzelle auf der Basis eines Hochfrequenz-Wellenstromes. Der HFR ist besonders empfindlich gegenüber Änderungen der RH. Allerdings ist der HFR auch hochempfindlich gegenüber anderen Brennstoffzellenbedingungen wie z. B. individuelle Unterschiede im Gesamtmembranwiderstand, Plattenwiderstand und Kontaktwiderstand. Absolut-HFR-Messungen sind besonders anfällig gegenüber einer Schwankung des Kontaktwiderstandes. Da der Kontaktwiderstand eines Brennstoffzellenstapels während des Betriebes mit Änderungen der Druckkraft, zum Teil auf Grund des Aufquellens und Zusammenziehens der Membranen, variiert, waren Absolut-HFR-Messungen bisher bei Online-Hydratationsmessungen von arbeitenden Brennstoffzellenstapeln nicht einsetzbar.
Es besteht fortgesetzt Bedarf nach einem Online-System und -Verfahren zum zuverlässigen Messen der Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels im Betrieb. Wünschenswerterweise verwenden das Online-System und -Verfahren HFR-Messungen zum Überwachen und Regeln der Brennstoffzellenstapelbefeuchtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Bedarf gerecht zu werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Offenlegung wurden ein Online-System und -Verfahren zum zuverlässigen Überwachen und Steuern der Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels im Betrieb entwickelt, die HFR-Messungen verwenden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird somit durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder des Anspruchs 17 gelöst.
Zeichnungen
Die oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden für einen Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der nachfolgend beschriebenen Zeichnungen, ohne weiteres verständlich.
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer illustrativen Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik zur Montage in einem Brennstoffzellenstapel zur Verwendung mit einem Online-Befeuchtungsbestimmungssystem und -verfahren der Offenlegung;
2 ist eine schematische graphische Darstellung eines Online-Befeuchtungsbestimmungssystems und -steuerungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung;
3 ist ein Graph, der illustrative Absolut-HFR-Messungen verschiedener Brennstoffzellenstapel mit im Wesentlichen identischen Betriebsbedingungen zeigt;
4 ist ein Graph, der illustrative Absolut-HFR-Messungen eines Brennstoffzellenstapels über einen typischen Betriebszyklus zeigt;
5 ist ein Graph, der illustrative Absolut-HFR-Messungen eines Brennstoffzellenstapels über einen Bereich von typischen Betriebstemperaturen zeigt;
6 ist ein Graph, der eine illustrative Störung einer RH eines Brennstoffzellenstapels unter normalen Betriebsbedingungen und den Effekt auf Absolut-HFR-Messungen zeigt; und
7 ist ein Graph, der eine illustrative Störung einer RH eines Brennstoffzellenstapels unter gefluteten Betriebsbedingungen und den Effekt auf Absolut-HFR-Messungen zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es sollte auch einzusehen sein, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugsziffern durchweg gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und sind daher nicht notwendig oder kritisch.
1 ist eine beispielhafte Veranschaulichung einer Brennstoffzelle 2, die im Stand der Technik bekannt ist. Die Brennstoffzelle 2 umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 4 mit einer Polymerelektrolytmembran (PEM) 6, einer Kathode 8 und einer Anode 10. Die PEM 6 ist zwischen der Kathode 8 und der Anode 10 angeordnet. Die Kathode 8 und die Anode 10 umfassen typischerweise einen fein verteilten Katalysator wie z. B. Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt ist. Es sollte einzusehen sein, dass die Kathode 8 und die Anode 10 je nach Wunsch aus anderen geeigneten Materialien gebildet sein können.
Eine erste Gasdiffusionsmedium-(GDM)-Schicht 12 ist benachbart zu der Kathode 8 auf einer der PEM 6 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Eine zweite GDM-Schicht 14 ist benachbart zu der Anode 10 auf einer der PEM 6 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Die GDM-Schichten 12, 14 erleichtern typischerweise eine Lieferung von gasförmigen Reaktanden wie z. B. Luft (O₂) und Wasserstoff (H₂) an die MEA 4 für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion. Die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion erzeugt Elektrizität und Wasser als ein chemisches Produkt. Der Brennstoffzellenstapel 2 umfasst ferner eine erste Platte 16 und eine zweite Platte 18, die benachbart zu der ersten bzw. zweiten GDM-Schicht 12, 14 angeordnet sind. Die erste und die zweite Platte 16, 18 besitzen darin gebildete Strömungskanäle zur Verteilung von Luft (O₂) an die Kathode 8 und Wasserstoff (H₂) an die Anode 10 und zum Entfernen von Restreaktanden und des Produkts Wasser aus der Brennstoffzelle. In speziellen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Platte 16, 18 typischerweise zumindest eine von einer unipolaren Platte und einer bipolaren Platte.
Wie in 2 gezeigt, umfasst ein Brennstoffzellensystem 200 der vorliegenden Offenlegung einen Brennstoffzellenstapel 202. Der Brennstoffzellenstapel 202 ist z. B. aus mehreren Brennstoffzellen 2 zusammengesetzt. Falls gewünscht, kann das Brennstoffzellensystem 200 mehr als einen Brennstoffzellenstapel 202 umfassen. Der Brennstoffzellenstapel 202 steht in elektrischer Verbindung mit einer elektrischen Last 204. Die elektrische Last 204 kann z. B. ein Elektroantriebsmotor eines Elektrofahrzeuges sein.
Der Brennstoffzellenstapel 202 steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer Reaktandenquelle 206. Die Reaktandenquelle 206 stellt einen Reaktandenstrom 207 wie z. B. einen Kathodenstrom oder einen Anodenstrom an den Brennstoffzellenstapel 202 für die elektrochemische Brennstoffzellenreaktion bereit. In einer speziellen Ausführungsform ist die Reaktandenquelle 206 ein Luftkompressor, der geeignet ist, um Druckluft aus der Umgebung an die Kathoden 8 des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen. Ebenso kann die Reaktandenquelle 206 ein Speichergefäß sein, das geeignet ist, um Wasserstoffgas an die Anoden 10 des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen.
In einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 einen Feuchtigkeitsregler, wie z. B. eine Temperatursteuerungseinheit 208 und eine Wasserdampfübertragungs(WVT)-Einheit 210. Als ein nicht einschränkendes Beispiel steht die Temperatursteuerungseinheit 208 in einer Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlmittelstrom 211, der dem Brennstoffzellenstapel 202 zugeführt wird. Der Kühlmittelstrom kann durch den Brennstoffzellenstapel 202 zirkulieren und eine Temperatur und damit eine relative Feuchtigkeit (RH) des Brennstoffzellenstapels 202 einstellen. So wie hierin verwendet, bedeutet die RH des Brennstoffzellenstapels 202 eine RH der Gase in dem Brennstoffzellenstapel 202, die z. B. durch eine „Auslass-RH” von ausgestoßenen restlichen gasförmigen Reaktanden und Produkten angezeigt wird. Wie auf dem technischen Gebiet bekannt, kann die Temperatursteuerungseinheit 208 verwendet werden, um eine Temperatur des Kühlmittelstromes 213 auf einen gewünschten Sollwert einzustellen, der gewählt ist, um die RH des Brennstoffzellenstapels 202 innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 die WVT-Einheit 210. Die WVT-Einheit 210 ist geeignet, um eine RH des Reaktandenstromes 207, der dem Brennstoffzellenstapel 202 zugeführt wird, je nach Wunsch einzustellen. Die WVT-Einheit 210 kann z. B. ein Befeuchter sein, der Wasserdampf von einer Wasserquelle überträgt.
Als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel zieht die WVT-Einheit 210 Wasser aus einem Wasser tragenden Strom des Brennstoffzellensystems 200 wie z. B. aus einem Anodenaustragstrom oder einem Kathodenaustragstrom oder einem Reformatstrom. Die WVT-Einheit 210 kann eine Wasserübertragungsmembran verwenden. In einem weiteren nicht einschränkenden Beispiel überträgt die WVT-Einheit 210 Wasserdampf von einem Reservoir von flüssigem Wasser. Geeignete WVT-Einheiten 210 sind auf dem technischen Gebiet bekannt und können je nach Wunsch verwendet werden. Ein Fachmann sollte einsehen, dass das Brennstoffzellensystem 200 die Temperatursteuerungseinheit 208 oder die WVT-Einheit 210 oder beide umfassen kann.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst auch einen Controller 212 und eine Hochfrequenzwiderstand(HFR)-Messvorrichtung 214. Der Controller 212 des Brennstoffzellensystems 200 steht in elektrischer Verbindung mit der HFR-Messvorrichtung 214. Der Controller 212 des Brennstoffzellensystems kann auch in elektrischer Verbindung mit der Temperatursteuerungseinheit 208 und der WVT-Einheit 210 stehen. Die HFR-Messvorrichtung 214 steht in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 202 und ist geeignet, um einen HFR des Brennstoffzellenstapels 202 zu messen, der zur Berechnung eines d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses geeignet ist, wie hierin unten stehend weiter beschrieben ist.
Wie in 3 gezeigt, stellen verschiedene Brennstoffzellenstapel 202 mit im Wesentlichen identischen Betriebsbedingungen oft verschobene absolute HFR-Werte 300 und 302 bereit. Dies ist typisch infolge der individuellen Unterschiede im Gesamtplatten- und Kontaktwiderstand. Wie in 4 gezeigt, führt eine Erhöhung der Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels 202 und einer entsprechenden Hydratation der PEM 6 zu einer Verringerung bei den Absolut-HFR-Messungen. Dieser Zusammenhang ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2006 022 835 A1 oder US 6,376,111 B1 gekannt. Allerdings schwanken die Absolut-HFR-Messungen auch beträchtlich zwischen verschiedenen Betriebstemperaturen. Es wird jetzt erkannt, dass ein Anstieg der Absolut-HFR-Messungen über den Bereich von RH-Graden oder das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis, unabhängig von individuellen Unterschieden im Gesamtplatten- und Kontaktwiderstand, im Wesentlichen derselbe ist. Der Anstieg misst direkt die Änderung des Membranwiderstandes infolge von Hydratation, während der Platten- und Kontaktwiderstand gleich bleibt.
Die Verwendung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses ist besonders nützlich als ein Indikator der RH des Brennstoffzellenstapels 202 im Betrieb.
Wie in 4 gezeigt, verringert sich das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis wie durch die HFR-Anstiege 400, 402, 404, 406 gezeigt auf ein Minimum 408 von etwa null in dem Brennstoffzellenstapel 202, wenn er vollständig befeuchtet ist. Wenngleich das d(HFR)d(RH)-Verhältnis nominell durch die Temperatur beeinflusst wird, wie durch die d(HFR)/d(RH)-Anstiege 500, 502, 504, 506 in 5 gezeigt, wird das d(HFR)d(RH)-Verhältnis durch individuelle Unterschiede im Gesamtmembranwiderstand, Plattenwiderstand und Kontaktwiderstand nicht wesentlich beeinflusst. Aus diesem Grund ist die Verwendung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses anstelle der Absolut-HFR-Messung zum Abschätzen der RH des Brennstoffzellenstapels 202 besonders vorteilhaft.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf 2 kann die HFR-Messvorrichtung 214 der Offenlegung jede beliebige bekannte Vorrichtung sein, die geeignet ist, um den HFR von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenkomponenten zu messen. Die HFR-Messvorrichtung ist geeignet, um den HFR über zumindest eine der PEMs 6 des Brennstoffzellenstapels 202 zu messen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel steht die HFR-Messvorrichtung 214 in unabhängiger elektrischer Verbindung mit einer oder mehreren der Brennstoffzellen 2 des Brennstoffzellenstapels 202. Der HFR der zumindest einen der PEMs 6 ist repräsentativ für den Befeuchtungsgrad des Brennstoffzellenstapels 214 insgesamt. Die HFR-Messvorrichtung 214 ist geeignet, um den HFR über zumindest einen Abschnitt des gesamten Brennstoffzellenstapels 202 zu messen. Zum Beispiel steht die HFR-Messvorrichtung 214 in elektrischer Verbindung mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss des Brennstoffzellenstapels 202. Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch andere Ausgestaltungen der HFR-Messvorrichtung 214 zum Messen des HFR des Brennstoffzellenstapels 202 gewählt werden können.
Der Controller 212 ist ausgebildet, um die HFR-Messung und/oder das daraus mithilfe der HFR-Messvorrichtung 214 berechnete d(HFR)/d(RH)-Verhältnis zu empfangen. Zum Beispiel kann das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis aus einer oder mehreren durch die HFR-Messvorrichtung 214 vorgenommenen HFR-Messungen im Voraus berechnet und dann an den Controller 212 bereitgestellt werden. In einer weitere Ausführungsform kann der Controller 212 eine Funktion umfassen, die das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis mit der einen oder den mehreren HFR-Messungen berechnet.
Es sollte einzusehen sein, dass der Controller 212 geeignet ist, um die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 202 periodisch zu ändern. So stellt der Controller 212 die Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 202 auf der Basis des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses ein. Eine Hydratation der PEMs 6 ist dadurch auf innerhalb des gewünschten Bereiches gesteuert. Der Controller 212 steuert den Feuchtigkeitsregler in Ansprechen auf das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis. Der Controller 212 verwendet zumindest einen Algorithmus oder ein mathematisches Modell, der/das z. B. das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis und eine Abschätzung der RH wie z. B. eine Auslass-RH des Brennstoffzellenstapels 202 korreliert. Das mathematische Modell kann z. B. eine Nachschlagetabelle der d(HFR)/d(RH)-Verhältniswerte und der Auslass-RH-Werte für eine bestimmte Brennstoffzellenstapel 202-Architektur und -Betriebstemperatur sein. Die Berechnungen unter Verwendung des mathematischen Modells werden in Echtzeit ausgeführt, wodurch eine Online-Messung der Brennstoffzellenstapel 202 -Hydratation zugelassen wird. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das mathematische Modell eine standardmäßige rekursive Schätzfunktion nach der Fehlerquadratmethode mit exponentieller Vernachlässigung umfassen, die im Stand der Technik bekannt ist. Es sollte einzusehen sein, dass andere geeignete Algorithmen oder mathematische Modelle verwendet werden können, um das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis mit einer Abschätzung der relativen Feuchtigkeit zu korrelieren.
Das Brennstoffzellensystem 200 kann ferner mindestens einen zusätzlichen Sensor (nicht gezeigt) umfassen. Der zusätzliche Sensor kann in elektrischer Verbindung mit dem Controller 212 stehen. Der zusätzliche Sensor ist geeignet, um die Einlass-RH und/oder die Auslass-RH und/oder den Brennstoffzellenstapeldruck und/oder die Brennstoffzellenstapeltemperatur zu überwachen. In speziellen Ausführungsformen ist der zusätzliche Sensor ein Temperatursensor, der geeignet ist, um Temperaturmessungen an den Controller 212 des Brennstoffzellensystems 200 bereitzustellen. Je nach Wunsch können andere geeignete Sensoren und Konfigurationen zum Messen des Brennstoffzellensystems 200 gewählt werden.
Die vorliegende Offenlegung umfasst ferner ein Verfahren zur Online-Ermittlung der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung. Das Verfahren umfasst den Schritt, dass der Brennstoffzellenstapel 202 in elektrischer Verbindung mit der HFR-Messvorrichtung 214 vorgesehen wird, wie hierin beschrieben. Zum Beispiel wird der Reaktandenstrom 207 wie z. B. ein Kathodenversorgungsstrom dem Brennstoffzellenstapel 202 zugeführt. Anschließend an den Schritt zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 202 mit dem Reaktandenstrom 207 wird eine Störung in den Reaktandenstrom 207 eingebracht. Als ein nicht einschränkendes Beispiel ist die Störung eine Änderung einer Stöchiometrie des Reaktandenstromes wie z. B. eine Änderung der Kathodenstöchiometrie. Die Änderung der Stöchiometrie kann z. B. ausgeführt werden, indem eine Änderung einer Durchflussrate des Reaktandenstromes 207 zu dem Brennstoffzellenstapel 202 bewirkt wird. Je nach Wunsch können andere geeignete Mittel zum Modifizieren der Reaktandenstöchiometrie verwendet werden.
Die in den Reaktandenstrom 207 eingebrachte Störung ist geeignet, um eine transiente Abweichung einer RH des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen. Aus der Störung resultiert eine Systemverstärkung im HFR. Ein d(HFR)-Wert wird von der Systemverstärkung im HFR abgeleitet. Die transiente Abweichung der RH ist auch eine im Wesentlichen bekannte Größe, von der d(RH) abgeleitet werden kann, wodurch ferner die Berechnung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses zugelassen wird. In speziellen Ausführungsformen tritt die Störung in im Wesentlichen regelmäßigen Intervallen während des Schrittes zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 202 mit dem Reaktandenstrom 207 auf. Die Störung kann je nach Wunsch ein im Wesentlichen konstanter Impuls oder ein unregelmäßiger Impuls sein. Zum Beispiel kann die unregelmäßige Störung eine anfängliche Abnahme der RH, gefolgt von einem nachfolgenden Anstieg der RH, beide in Bezug auf eine RH im stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202, zur Folge haben.
Eine Größenordnung der transienten Schwankung, die aus der Störung resultiert, ist typischerweise ein Bruchteil der RH im stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202. Die Größenordnung wird derart gewählt, dass sie gegen jeglichen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellenstapels 202 auf Grund der Störung spricht. Illustrativ ist die Größenordnung der transienten Schwankung, die aus der Störung resultiert, kleiner als etwa 20% von der RH im stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202. In einer weiteren Ausführungsform ist die Größenordnung der transienten Schwankung kleiner als etwa 10% von der RH im stabilen Zustand. In einer besonders illustrativen Ausführungsform ist die Größenordnung der transienten Schwankung kleiner als etwa 5% von der RH im stabilen Zustand. Ein Fachmann sollte einsehen, dass je nach Wunsch eine geeignete Größenordnung gewählt werden kann, die nicht wesentlich von der RH im stabilen Zustand des Brennstoffzellenstapels 202 abweicht.
Die transiente Schwankung der RH tritt auch über eine gewählte Zeitspanne auf, die die Leistung des Brennstoffzellenstapels 202 nicht wesentlich beeinflusst. Zum Beispiel kann die transiente Schwankung der RH über eine Zeitspanne von weniger als etwa 90 Sekunden dauern. In einer Ausführungsform kann die transiente Schwankung der RH über eine Zeitspanne von weniger als etwa 10 Sekunden dauern. In einer besonders illustrativen Ausführungsform kann die transiente Schwankung der RH über eine Zeitspanne von weniger als etwa 5 Sekunden dauern. Es sollte einzusehen sein, dass die transiente Schwankung und die Zeitspanne derart gewählt werden, um den Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellenstapels 202 zu minimieren, und sie dennoch für eine Ableitung des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses davon ausreichend sind. Zum Beispiel sieht die transiente Schwankung ein Signal/Rausch-Verhältnis vor, das eine messbare HFR-Reaktion zulässt.
Anschließend an das Einbringen der Störung in den Reaktandenstrom 207 wird der HFR des Brennstoffzellenstapels 202 durch die HFR-Messvorrichtung 214 gemessen. Von der gemessenen Änderung des HFR und der bekannten transienten Schwankung der RH des Brennstoffzellenstapels 202 während der Störung wird das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis berechnet. Als ein nicht einschränkendes Beispiel beträgt dann, wenn die Änderung des HFR etwa –0,035 Ω cm² und die transiente Abweichung der RH etwa 40% bei einer festen Betriebstemperatur und Zeitspanne betragen, das berechnete d(HFR)/d(RH)-Verhältnis etwa 0,9 mΩ cm²/%. Das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis kann dann in dem mathematischen Modell mit RH wie z. B. bekannten Auslass-RH-Werten des Brennstoffzellenstapels 202 korreliert werden. Dabei wird die RH des Brennstoffzellenstapels 202 bestimmt.
Es sollte einzusehen sein, dass die Systematik auf der Basis des d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses und der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von dem Controller 212 verwendet werden kann, um den Befeuchtungsgrad des Brennstoffzellenstapels 202 zu ermitteln. In einer Ausführungsform kann eine optimierte Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung angezeigt werden, wenn das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis zwischen einer gewünschten unteren Grenze und einer gewünschten oberen Grenze liegt. Ein unterbefeuchteter oder „trockener” Brennstoffzellenstapel wird z. B. angezeigt, wenn das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis kleiner als die gewünschte untere Grenze ist. Ein überbefeuchteter oder „gefluteter” Brennstoffzellenstapel wird z. B. angezeigt, wenn das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis größer als die gewünschte obere Grenze ist. Ein Fachmann sollte einsehen, dass die gewünschten oberen und unteren Grenzen für das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis je nach Wunsch auf der Basis zumindest zum Teil der Betriebstemperatur und der speziellen Brennstoffzellenstapel 202-Architektur gewählt werden kann.
Das vorliegende Verfahren kann auch zum Steuern der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung verwendet werden. Das Verfahren kann den Schritt umfassen, dass die RH des Brennstoffzellenstapels 202 in Ansprechen auf das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis gesteuert wird. Zum Beispiel kann die Systematik, die die gewünschten oberen und unteren Grenzen für das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis umfasst, von dem Controller 212 verwendet werden, um den Feuchtigkeitsregler zu betreiben. Dies kann z. B. eine „fuzzy” Systematik wie z. B. d(HFR)/d(RH)-Verhältnisse sein, die „sehr trockenen”, „trockenen”, „normalen” und „gefluteten” Feuchtigkeitsbedingungen zugeordnet sind. Damit wird der Befeuchtungsgrad des Brennstoffzellenstapels 202 geregelt.
In einer Ausführungsform, in der die Temperatursteuerungseinheit 208 vorgesehen ist, umfasst der Schritt zum Steuern der RH den Schritt zum Ermitteln einer gewünschten Brennstoffzellenstapeltemperatur, um die RH innerhalb des gewünschten Bereiches vorzusehen. Die gewünschte Brennstoffzellenstapeltemperatur wird auf der Basis des berechneten d(HFR)/d(RH)-Verhältnisses gewählt. Der Kühlmittelstrom 211 kann dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und eine Temperatur des Kühlmittelstromes 211 auf einen Temperatursollwert geregelt werden, der die gewünschte Brennstoffzellenstapel 202-Temperatur bereitstellt. Die RH des Brennstoffzellenstapels 202 wird damit innerhalb des gewünschten Bereiches gehalten, wenn die gewünschte Brennstoffzellenstapel 202-Temperatur erreicht ist.
Wenn die WVT-Einheit 210 in dem Brennstoffzellensystem 200 vorgesehen ist, kann der Schritt zum Steuern der RH des Brennstoffzellenstapels 202 umfassen, dass eine RH des Reaktandenstromes 207 geregelt wird. Die Änderung der RH des Reaktandenstromes 207 beeinflusst direkt die Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 202 und daher die Hydratation der PEMs 6. Die RH des Brennstoffzellenstapels 202 kann damit innerhalb des gewünschten Bereiches gehalten werden.
Beispiele
In einem ersten Beispiel, das in 6 veranschaulicht ist, wurde eine Störung 600 in den Kathodenstrom eines Brennstoffzellenmoduls eingebracht. Das Brennstoffzellenmodul arbeitete unter trockeneren als normalen Feuchtigkeitsbedingungen bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C. Die Störung 600 hatte eine transiente Schwankung 602 von einer Stationärzustands-Auslass-RH von etwa 70% zur Folge. Die transiente Schwankung 602 war ein unregelmäßiger Impuls von anfänglich etwa –5% von dem stationären Zustand und endete bei etwa +10% von dem stationären Zustand. Die Größenordnung der resultierenden transienten Schwankung 602 betrug etwa 15%. Die Zeitspanne für die Störung 600 betrug etwa 90 Sekunden. Ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis von etwa –2 mΩ cm²/% für die Brennstoffzellenarchitektur wurde daher als einen „trockenen” Befeuchtungsgrad bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C anzeigend ermittelt.
In einem zweiten Beispiel wurde eine Störung 700 in den Kathodenstrom eines zweiten Brennstoffzellenmoduls unter normal befeuchteten Bedingungen eingebracht. Wie in 7 gezeigt, hatte die Störung 700 eine transiente Schwankung 702 von einer Stationärzustands-Auslass-RH von etwa 80% zur Folge. Die Größenordnung der resultierenden transienten Schwankung 702 lag zwischen etwa –10% und etwa +20% oder etwa 40 insgesamt. Die Zeitspanne für die Störung betrug etwa 90 Sekunden. Ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis von etwa –0,8 mΩ cm²/% für die Brennstoffzellenmodularchitektur wurde daher als einen „normalen” Befeuchtungsgrad bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C anzeigend ermittelt.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis die Abschätzung der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtug und somit der Hydratation der PEMs 6 des Brennstoffzellenstapels 202 zulässt. Demzufolge wird die Verwendung von HFR-Messungen zur Online-Ermittlung und -Steuerung der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung mit dem Brennstoffzellensystem 200 und den Verfahren der vorliegenden Offenlegung ermöglicht.
Das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis kann auch mit anderen auf dem technischen Gebiet bekannten Feuchtigkeitssensoren verwendet werden. Die Abschätzung der Brennstoffzellenstapel 202-Befeuchtung mit dem d(HFR)/d(RH)-Verhältnis kann verwendet werden, um Störungen der Feuchtigkeitssensoren zu diagnostizieren, die ansonsten eine ungeeignete Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels 202 verursachen würden. Daher kann die Verwendung von HFR-Messungen, wie hierin beschrieben, zu Systemredundanzzwecken verwendet werden, insbesondere in einem Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellenstapel 202 betrieben wird.
Da das vorliegende System und die vorliegenden Verfahren die Befeuchtungsdetektion und -steuerung ermöglichen, sind die effektive Lebensdauer und Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 202 optimiert. Es sollte auch einzusehen sein, dass die Verwendung von HFR-Messungen in einem Online-System zum Messen und Steuern der Befeuchtung besonders nützlich für Mehrstapelsysteme sein kann, bei denen gelegentlich Befeuchtungsungleichgewichte auftreten. Das System und die Verfahren der vorliegenden Offenlegung können verwendet werden, um solche Ungleichgewichte je nach Wunsch zu detektieren, diese zu korrigieren und den Fahrer zu warnen.

Claims

Brennstoffzellensystem (200), das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (202) mit mehreren Brennstoffzellen; eine Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (202), wobei die Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) geeignet ist, um einen Hochfrequenzwiderstand HFR des Brennstoffzellenstapels (202) zu messen; einen Feuchtigkeitsregler (208, 210) in fluidtechnischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (202), der geeignet ist, um die relative Feuchtigkeit RH eines Reaktandenstroms in dem Brennstoffzellenstapel innerhalb eines gewünschten Bereiches einzustellen; und einen Controller (212) in elektrischer Verbindung mit der Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) und dem Feuchtigkeitsregler (208, 210); dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (212) eingerichtet ist, um den Feuchtigkeitsregler (208, 210) in Ansprechen auf das Verhältnis d(HFR)/d(RH) zu steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) geeignet ist, um den Hochfrequenzwiderstand HFR über zumindest eine der Elektrolytmembranen (6) des Brennstoffzellenstapels (202) hinweg zu messen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) geeignet ist, um den Hochfrequenzwiderstand HFR über zumindest einen Abschnitt des Brennstoffzellenstapels (202) hinweg zu messen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Feuchtigkeitsregler eine Temperatursteuerungseinheit (208) ist, die geeignet ist, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (202) einzustellen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Temperatursteuerungseinheit in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Kühlmittelstrom (211) steht, der dem Brennstoffzellenstapel (202) zugeführt wird, wobei die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (202) durch den Kühlmittelstrom (211) eingestellt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Feuchtigkeitsregler eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (210) in fluidtechnischer Verbindung mit einer Reaktandenquelle (206) und dem Brennstoffzellenstapel (202) ist, wobei die Wasserdampfübertragungsvorrichtung (210) geeignet ist, um die relative Feuchtigkeit RH des Reaktandenstromes (207) einzustellen, der dem Brennstoffzellenstapel (202) zugeführt wird.
Verfahren zur Online-Bestimmung der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstromes in einem Brennstoffzellenstapel (202), wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: der Brennstoffzellenstapel (202) bereitgestellt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel (202) mehrere Brennstoffzellen umfasst; eine Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (202) bereitgestellt und der Hochfrequenzwiderstand HFR des Brennstoffzellenstapels (202) gemessen wird; dem Brennstoffzellenstapel (202) ein Reaktandenstrom (207) zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Störung in den Reaktandenstrom (207) eingebracht wird, der dem Brennstoffzellenstapel (202) zugeführt wird, wobei die Störung eine transiente Abweichung der relativen Feuchtigkeit RH des Reaktandenstromes (207) verursacht; ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis aus dem gemessenen Hochfrequenzwiderstand HFR und der transienten Abweichung der relativen Feuchtigkeit RH berechnet wird; und das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis in einem mathematischen Modell korreliert wird, um die relative Feuchtigkeit RH zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Reaktandenstrom (207) ein Kathodenversorgungsstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Störung eine Änderung einer Stöchiometrie des Reaktandenstromes (207) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Störung eine Änderung eines Durchflussmengenstroms des Reaktandenstromes (207) ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Störung in regelmäßigen Intervallen während des Schrittes zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels (202) mit dem Reaktandenstrom (207) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die transiente Schwankung weniger als 20% der relativen Feuchtigkeit RH im stabilen Zustand beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die transiente Schwankung ein Signal/Rausch-Verhältnis bereitstellt, das die Messung des Hochfrequenzwiderstands HFR des Brennstoffzellenstapels (202) zulässt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine normale Brennstoffzellenstapelbefeuchtung angezeigt wird, wenn das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis zwischen einer gewünschten unteren Grenze und einer gewünschten oberen Grenze liegt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein unterbefeuchteter Brennstoffzellenstapel (202) angezeigt wird, wenn d(HFR)/d(RH) kleiner als eine gewünschte untere Grenze ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein überbefeuchteter Brennstoffzellenstapel (202) angezeigt wird, wenn d(HFR)/d(RH) größer als eine gewünschte obere Grenze ist.
Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstromes in einem Brennstoffzellenstapel (202), wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: der Brennstoffzellenstapel (202) bereitgestellt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel (202) mehrere Brennstoffzellen umfasst; eine Hochfrequenzwiderstand-Messvorrichtung (214) in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (202) bereitgestellt und der Hochfrequenzwiderstand HFR des Brennstoffzellenstapels (202) gemessen wird; dem Brennstoffzellenstapel (202) ein Reaktandenstrom (207) zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Störung in den Reaktandenstrom (207) eingebracht wird, der dem Brennstoffzellenstapel (202) zugeführt wird, wobei die Störung eine transiente Abweichung der relativen Feuchtigkeit RH des Reaktandenstromes (207) verursacht; ein d(HFR)/d(RH)-Verhältnis aus dem gemessenen Hochfrequenzwiderstand HFR und der transienten Abweichung der relativen Feuchtigkeit RH berechnet wird; die relative Feuchtigkeit RH in dem Brennstoffzellenstapel (202) in Ansprechen auf das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis gesteuert wird, wobei die relative Feuchtigkeit RH innerhalb eines gewünschten Bereiches gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner den Schritt umfasst, dass das d(HFR)/d(RH)-Verhältnis in einem mathematischen Modell mit Werten der relativen Feuchtigkeit RH korreliert wird, um dadurch die relative Feuchtigkeit RH zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt zum Steuern der relativen Feuchtigkeit RH die weiteren Schritte umfasst, dass: eine gewünschte Brennstoffzellenstapeltemperatur zum Regeln der relativen Feuchtigkeit RH ermittelt wird, die auf dem berechneten d(HFR)/d(RH)-Verhältnis basiert; dem Brennstoffzellenstapel (202) ein Kühlmittelstrom (211) zugeführt wird, wobei der Kühlmittelstrom (211) geeignet ist, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (202) zu regeln; und eine Temperatur des Kühlmittelstromes (211) auf einen Temperatursollwert geregelt wird, der geeignet ist, um die gewünschte Brennstoffzellenstapeltemperatur bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt zum Steuern der relativen Feuchtigkeit RH die Schritte umfasst, dass: eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (210) in fluidtechnischer Verbindung mit einer Reaktandenquelle (206) und dem Brennstoffzellenstapel (202) bereitgestellt wird; und die relative Feuchtigkeit RH des Reaktandenstromes (207) geregelt wird, um die relative Feuchtigkeit RH innerhalb des gewünschten Bereiches bereitzustellen.