DE112004001904T5

DE112004001904T5 - Brennstoffzellen-Spannungssteuerung

Info

Publication number: DE112004001904T5
Application number: DE112004001904T
Authority: DE
Inventors: Tommy East Hartford Skiba; David D. Manchester Jayne; Paul A. Somers Grubb; Rishi Vernon Grover; Timothy M. New Hartford Remmers; Wesley jun. Windsor Sedlacek; Wesley E. jun. Windsor Sedlacek
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: BRPI0415075A; WO2005036673A3; US7041405B2; JP2007507856A; CN1890833A; KR20060066124A; CN100557875C; US20050074649A1; WO2005036673A2; KR101119379B1; DE112004001904B4

Abstract

Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (100), aufweisend:
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (102), welche in einem Stapel in Reihe verbunden sind und ein Paar Anschlüsse (177, 178) für einen externen Stromkreis haben; und
eine spannungsbegrenzende Hilfslast (148), welche vorgesehen ist, um Wärme in einem Element (247, 257, 262) der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage abzuleiten, um die Temperatur des Elements zu erhöhen;
gekennzeichnet durch:
einen Schalter (200), welcher in Reihe mit der Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbunden ist; und
eine Schaltersteuerungseinrichtung (201; 205, 206; 212, 213), welche ausgelegt ist, um während Übergängen des Brennstoffzellenstapels, die aus Anfahren und Abschalten gewählt sind, zu bewirken, dass der Schalter alternativ (a) die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet und (b) die Hilfslast von mindestens einem der Anschlüsse repetitiv während mindestens einem der Übergänge trennt, in Reaktion auf Ausgabe elektrischer Leistung des Brennstoffzellenstapels und betreibbar ist während Zeitspannen außerhalb des Anfahrens und Abschaltens in Reaktion auf Temperatur (225,...

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf eine die Spannung begrenzende Hilfslast eines Brennstoffzellenstapels, welche in periodischen Abständen angelegt wird, um eine Last mit einer erwünschten Größenordnung zu simulieren, optional mit einer Temperatursteuerung, bei welcher die Hilfslast auch Wärme an den Stapel liefert, z.B. durch Luft oder ein Kühlmittel, oder an eine Oxidationsmittel-Energierückgewinnungsvorrichtung.
Stand der Technik
Die US-Patentanmeldung mit Seriennummer 10/305 301, eingereicht am 26. November 2002, beschreibt die Erfindung einer Hilfslast, welche selektiv mit dem elektrischen Anschluss eines Brennstoffzellenstapels verbunden wird, um die Spannung von einzelnen Zellen zu begrenzen, welche aus dem Einbringen von Reaktanten während des Anfahrens und aus Verbrauch von Reaktanten während des Abschaltens der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage resultiert, wie in Bezug auf 1 beschrieben.
In 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 100 aus dem Stand der Technik eine Brennstoffzelle 102, aufweisend eine Anode 104, eine Kathode 106 und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete Elektrolytschicht 108. Die Anode umfasst ein Anodensubstrat 110 mit einer darauf aufgebrachten Anodenkatalysatorschicht 112 auf der Substratseite, welche der Elektrolytschicht 108 zugewandt ist. Die Kathode umfasst ein Kathodensubstrat 114 mit einer darauf aufgebrachten Kathodenkatalysatorschicht 116 auf der Substratseite, welche der Elektrolytschicht 108 zugewandt ist. Die Zelle umfasst auch eine Anodenströmungsfeldplatte 118 benachbart dem Anodensubstrat 110 und eine Kathodenströmungsfeldplatte 120 benachbart dem Kathodensubstrat 114.
Die Kathodenströmungsfeldplatte 120 hat eine Mehrzahl von Kanälen 122, welche sich darüber benachbart dem Kathodensubstrat erstrecken und ein Kathodenströmungsfeld zum Transport eines Oxidationsmittels, z.B. Luft, über die Kathode von einem Einlass 124 zu einem Auslass 126 bilden. Die Anodenströmungsfeldplatte 118 hat eine Mehrzahl von Kanälen 128, welche sich darüber benachbart dem Anodensubstrat erstrecken und ein Anodenströmungsfeld zum Transport eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs über die Anode von einem Einlass 130 zu einem Auslass 132 bilden. Manche Zellen umfassen auch einen Kühler 131 benachbart der Kathodenströmungsfeldplatte 120, zur Entfernung von Wärme von den Zellen, z.B. durch Verwendung einer Wasserpumpe 134, um Wasser durch einen Kreislauf 132 zu zirkulieren, welches durch die Kühler 131, einen Radiator 136 zur Wärmeabgabe und ein Strömungssteuerungsventil oder eine Öffnung 138 strömt. In manchen Brennstoffzellensystemen sind die Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten und die Kühlerplatten, z.B. Platten 118, 122 und 131, oder ähnliche, porös und werden verwendet sowohl, um Gase zu der Zellenanode oder -kathode zu transportieren und um Wasser in die Zelle oder von jeder Zelle weg zu transportieren. In solchen Systemen sollte die Kühlmittelkreislaufpumpe, z.B. die Pumpe 134, während des Abschaltverfahrens eingeschaltet bleiben, um zu verhindern, dass Reaktantenkanäle durch Kühlmittel blockiert werden.
Obwohl nur eine einzelne Zelle 120 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellensystem tatsächlich eine Mehrzahl benachbarter Zellen (d.h. einen Zellenstapel), welche elektrisch in Reihe verbunden sind.
Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Quelle 140 für einen wasserstoffhaltigen Brennstoff, welcher unter Druck steht, eine Quelle 142 für Luft, ein Luftgebläse 144, eine als Primärlast bezeichnete primäre Strom verbrauchende Vorrichtung 146, eine Hilfslast 148, einen Anodenabgas-Wiederverwertungskreislauf 150, ein Wiederverwertungskreislaufgebläse 152. Während normalem Brennstoffzellenbetrieb, wenn die Zelle Strom an die Primärlast 146 liefert, ist ein Primärlastschalter 154 geschlossen (er ist in der Zeichnung offen gezeigt), und ein Hilfslastschalter 156 ist geöffnet. Das Luftgebläse 144, Anodenabgas-Wiederverwertungsgebläse 152 und die Kühlmittelpumpe 134 sind jeweils an, und ein Ventil 166 in einer Brennstoffzuführleitung von der Brennstoffquelle 140 in den Anodenwiederverwertungskreislauf 150 stromabwärts vom Wiederverwertungsgebläse 152 ist geöffnet, wie auch das Ventil 170 in dem Wiederverwertungskreislaufs 150 und das Anodenabgas-Entlüftungsventil 172 in einer Anodenabgasleitung 174. Ein Lufteinlass-Zuführventil 158 in der Leitung 160 ist geöffnet. Ein Luftzuführventil 162 in einer Leitung 164 von der Luftquelle 142 zu einem Punkt in dem Wiederverwertungskreislauf stromaufwärts von dem Wiederverwertungsgebläse 152 ist geschlossen.
Somit wird während des normalen Betriebs Luft von der Quelle 142 kontinuierlich in den Kathodenströmungsfeldeinlass 124 über die Leitung 160 geliefert und verlässt den Zellenauslass 126 über eine Leitung 176. Frischer wasserstoffhaltiger Brennstoff von der unter Druck stehenden Quelle 140 wird kontinuierlich in das Anodenströmungsfeld über die Leitung 168 geliefert, welche den Brennstoff in den Wiederverwertungskreislauf 150 leitet. Ein Teil des Anodenabgases, welches verbrauchten Brennstoff enthält, verlässt das Anodenströmungsfeld durch das Entlüftungsventil 172 über die Leitung 174, während das Wiederverwertungsgebläse 152 den Rest des Anodenabgases durch das Anodenströmungsfeld über den Wiederverwertungskreislauf auf eine in der Technik bekannte Weise rezirkuliert. Die Wiederverwertungsströmung hilft, eine relativ gleichförmige Gaszusammensetzung vom Einlass 130 bis zum Auslass 132 des Anodenströmungsfeldes aufrecht zu erhalten, wie auch um Wasserdampf in die Zelle zurückzuführen, um Austrocknen der Zelle in der Nähe des Brennstoffeinlasses zu verhindern. Der Wasserstoff in dem Brennstoff reagiert auf bekannte Weise elektrochemisch während des normalen Brennstoffzellenbetriebs und erzeugt Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen. Die Elektronen fließen von der Anode 104 zur Kathode 106 durch einen externen Stromkreis 178, um die Last 146 zu versorgen, während Protonen von der Anode 104 zur Kathode 106 durch den Elektrolyten 108 strömen.
Um größeren Zellenleistungsverlust als Folge von Korrosion des Zellenkatalysators und Katalysatorträgers zu vermeiden, kann das folgende Verfahren beim Abschalten der Zelle verwendet werden: Der Schalter 154 wird geöffnet, wodurch die Primärlast von dem externen Stromkreis getrennt wird. Das Ventil 166 bleibt geöffnet und ermöglicht die Strömung von Brennstoff zum Anodenströmungsfeld. Das Lufteinlass-Zuführventil 158 ist vorzugsweise geschlossen, wie auch das Anodenentlüftungsventil. Das Wiederverwertungsströmungsventil 170 kann geöffnet bleiben, und das Wiederverwertungsgebläse 152 kann angeschaltet bleiben, um weiterhin Anodenabgas durch die Zelle zu rezirkulieren. Dies verhindert lokalen Verbrauch von Brennstoff auf der Anode. Der Schalter 156 wird dann geschlossen, wodurch die kleine Hilfs-Widerstandslast 148 über die Zlle in dem externen Schaltkreis 177, 178 verbunden wird. Wenn der Schalter 156 geschlossen ist, laufen die üblichen elektrochemischen Rekationen der Zelle weiterhin ab, so dass die Sauerstoffkonzentration im Kathodenströmungsfeld reduziert wird.
Das Ventil 158 kann teilweise geöffnet sein während der Zeitspanne der Anwendung der Hilfslast, um zu verhindern, dass Druck in der Kathodenkammer unter den Umgebungsdruck fällt.
Die Hilfslast 148 ist vorzugsweise so bemessen, dass die Zellenspannung von ihrer Spannung bei offenem Schaltkreis von ca. 0,90 bis 1,0 V auf ca. 0,20 V in ca. 15 s bis 1 min verringert wird. Die Größe der Last, welche notwendig ist, um dies zu erreichen, ist abhängig von den jeweiligen Besonderheiten der Zellenkonstruktion, z.B. Anzahl der Zellen, Größe der Zellen und das maximale Volumen von Wasserstoff und Luft im Anodenströmungsfeld und jeglichem Brennstoffverzweigungssystem oder ähnliche. Aufgrund der Strömerzeugung bei niedrigem Niveau, welche aus der Verwendung der Hilfslast vor dem Beginn der Brennstoffspülung resultiert, ist die Größenordnung der „Umkehrströme", welche vermutlich die Verschlechterung der Zellenleistung während des Abschaltens verursachen, während des Luftspülungsschritts geringer.
Sobald die Zellenspannung um eine vorherbestimmte Menge reduziert wurde (vorzugsweise auf eine Zellenspannung von 0,2 V oder weniger), kann der Schalter 156 geöffnet werden oder geschlossen bleiben, und das Ventil 166 ist während des sämtlichen restlichen Abschaltverfahrens oder während eine Teils davon geschlossen. Das Wiederverwertungsventil 170 ist geschlossen und das Wiederverwertungsgebläse abgeschaltet, um weitere Rezirkulation von Anodenabgas zu verhindern. Das Anodenabgasentlüftungsventil ist geöffnet, und das Luftströmungsventil 162 wird dann geöffnet, um Luft aus der Quelle 142 in den Wiederverwertungskreislauf direkt stromabwärts vom Ventil 170 und direkt stromaufwärts vom Wiederverwertungsgebläse 152 zu lassen.
Unter der Annahme, dass die Zelle gemäß dem vorangehenden Verfahren abgeschaltet wurde, gibt es nur verdünnten Wasserstoff und Stickstoff in den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern. Zum Wiederstarten des Brennstoffzellensystems 10 wird der Hilfslastschalter 156 geschlossen (falls geöffnet), um die Hilfslast 148 in dem externen Schaltkreis 177, 178 zu verbinden, das Kühlmittelkreislaufventil 138 wird, falls geschlossen, geöffnet und die Pumpe 143 angeschaltet. Das Luftströmungsventil 158 wird geschlossen, und das Gebläse 144 ist aus. Das Anodenabgas-Entlüftungsventil 172 ist geöffnet, und das Luftströmungsventil in der Leitung 162 ist geschlossen. Das Wiederverwertungsströmungsventil 170 ist ebenfalls geöffnet, und das Wiederverwertungsgebläse 152 ist angeschaltet. Das Brennstoffströmungsventil 166 wird geöffnet, um eine Strömung von unter Druck stehendem Wasserstoff von der Quelle 140 in das Anodenströmungsfeld zu ermöglichen. Der Hilfslastschalter 156 wird geöffnet, sobald Wasserstoff das Anodenabgas 172 erreicht. Das Luftströmungsventil 158 wird geöffnet, das Luftgebläse 144 wird angeschaltet und der Schalter 154 geschlossen, um die Primärlast über die Zelle 102 zu verbinden. Die Zelle kann nun normal betrieben werden.
Es gibt verschiedene Probleme mit der beschriebenen fixierten, die Spannung der Hilfslast begrenzenden Funktion im Stand der Technik. Während des Anfahrens wird die fest eingestellte Hilfslast mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, wenn die Zellenstapelspannung über ein vorherbestimmtes Niveau ansteigt, und wird dann nach einer vorherbestimmten Zeitdauer getrennt oder in manchen Ausführungsformen, nachdem der Gleichstrom unter eine vorherbestimmte Stärke fällt. Die Last bleibt während der gesamten Zeit konstant. Falls die gleiche Hilfslast sowohl für Anfahren als auch Abschalten verwendet wird, sind im Ergebnis entweder Anfahren, Abschalten oder Beides nicht optimiert. Während des Abschalteverfahrens kann eine separate Hilfslast mit anderem Widerstand und anderer Nennleistung mit der Brennstoffzelle verbunden werden, bis die Zellenstapelspannung unter ein bestimmtes Niveau fällt, woraufhin sie getrennt wird. Die Verwendung von zwei separaten und unterschiedlichen Hilfslasten für das Begrenzen der Spannung während des Anfahrens und Abschaltens ist bezüglich Implementierung und Unterbringung teuer.
Während des Anfahrens wird Anodenbrennstoff in dem gesamten Brennstoffzellenstapel auf eine Weise gebracht, bei welcher keine gleichförmige Konzentration in jeder Brennstoffzelle vorhanden ist oder die gleiche Menge durch die Brennstoffströmungsfelder in jede Zelle gelangt ist. Falls Strom durch eine Brennstoffzelle entzogen wird, welche nicht ausreichend Brennstoff hat, ist das Ergebnis ein „Brennstoffmangel", welcher negative Spannungen in einer einzelnen Zelle mit unzureichendem Brennstoff erzeugt. Daher muss die Zellenstapelspannung bei offenem Schaltkreis, welche verwendet wird, um mit der Hilfslast zu wirken, hoch genug eingestellt sein, um zu gewährleisten, dass alle Zellen ausreichend Brennstoff haben. Dies führt dazu, dass in vielen einzelnen Zellen die Spannung auf ein Niveau ansteigt, welches größer als jenes ist, bei welchem unerwünschte Brennstoffzellen-Zerfallsmechanismen stattfinden.
Das System des Stands der Technik ist nicht ausreichend robust, um die verschiedenen Variationen zwischen einzelnen Stromerzeugungsanlagen auszugleichen, welche bewirkt werden durch Herstellungstoleranzen oder Änderungen in den Stromerzeugungsanlagen, welche während der gesamten Lebensdauer der Stromerzeugungsanlage auftreten. Die Steuerparameter, welche verwendet werden, um die Hilfslast zu verbinden und zu trennen, müssen konservativ sein, um negative Spannungen einzelner Zellen zu vermeiden. Dies bedeutet, dass viele einzelne Zellen auf ein Brennstoffniveau ansteigen, welches größer als erwünscht ist, um Mechanismen der Zellenverschlechterung zu minimieren.
Hilfslasten, welche zur Spannungsbegrenzung während des Anfahrens und Abschaltens verwendet werden, müssen so ausgelegt sein, dass sie die gesamte durch die Brennstoffzelle während dieser Übergangsphasen erzeugte Energie ableiten. Das Design muss schwierigste Umgebungsbedingungen berücksichtigen, z.B. Temperatur des Kühlmittels und Temperatur der Umgebung, welche zu teurem Über-Design führen, verglichen mit einem Design, welches für normale, typische Stromerzeugungsanlagen-Betriebsbedingungen ausreichend ist.
Bei Verwendung von entweder einzelnen Hilfslasten oder separaten gelegten Hilfslasten für Anfahren und Abschalten ist das Beheben von Überspannungszuständen und der resultierenden Verschlechterung der Brennstoffzellenleistung ausreichend unzulänglich, um die Aufmerksamkeit auf den Entwurf von Brennstoffeinlass-Verzweigungssystemen zu richten, um eine gleichmäßigere Verteilung von Brennstoff an alle Zellen eines Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen. Diese Systeme sind kostspielig und zu geräumig zur Verwendung in kom pakten Anwendungen, z.B. elektrische Fahrzeuge, welche durch eine Brennstoffzellenanlage betrieben werden.
Beschreibung der Erfindung
Ziele der Erfindung umfassen: Vermeiden von komplexen Brennstoffeinlass-Verzweigungssystemkonstruktionen; einfachere, günstigere und effektivere Verpackung von spannungsbegrenzenden Vorrichtungen für einen Brennstoffzellenstapel; Verwendung einer einzelnen, die Spannung begrenzenden Hilfslast sowohl für das Anfahren als auch Abschalten eines Brennstoffzellenstapels; präzise Kontrolle der Brennstoffzellenstapelspannung während des Anfahrens und Abschaltens; Begrenzen der Brennstoffzellenstapelspannung, welche sich auf die Anfahr- und Abschalteigenschaften individueller Brennstoffzellenstapel abstimmen lässt und auf Veränderungen der Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels über die Betriebsdauer eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels abstimmen lässt; eine Spannungsbegrenzungsfähigkeit, welche Toleranzen der Reaktantenströmungsraten und Verteilung und Toleranzen bezüglich thermischer Eigenschaften von Hilfslasten ausgleichen kann, welche verwendet werden, um Spannungen während des Anfahrens und Abschaltens des Brennstoffzellenstapels zu begrenzen; Steuerung der Temperatur einer spannungsbegrenzenden Hilfslast, um sie vor Schäden zu schützen und damit ihre optimale Nutzung zu ermöglichen; Bereitstellen von Temperaturschutz für spannungsbegrenzende Hilfslasten ohne das Erfordernis für Temperaturmessung; Vermeiden von Wärmeverschwendung beim Steuern der Spannung während des Anfahrens und Abschaltens eines Brennstoffzellenstapels mit einer spannungsbegrenzenden Hilfslast; und Verringern der Komponentenanzahl in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine spannungsbegrenzende Hilfslast zyklisch in und aus einem externen Stromkreis eines Brennstoffzellenstapels geschaltet, um aktiv die effektive an dem Brennstoffzellenstapel anliegende Last während des Anfahrens und Abschaltens zu steuern. Das Schalten wird in einer Ausführungsform einfach durch Bewegung zwischen unteren und oberen Spannungsgrenzen gesteuert. In anderen Ausführungsformen ist der Arbeitszyklus einer Impulsbreiten-Modulationssteuerung eine Funktion der Zellenstapel spannung. In noch anderen Ausführungsformen ist der Arbeitszyklus einer Impulsbreiten-Modulationssteuerung außerdem begrenzt durch eine Temperatur der Hilfslast, wodurch optimale Leistung ermöglicht wird, während sie vor Schäden geschützt wird; in einer Form wird die Temperatur direkt gemessen; in einer weiteren Form begrenzt ein Wärmemodell als Funktion der Energiebilanzgrenzen den Arbeitszyklus der gesteuerten Impulsbandbreite.
Weiterhin wird erfindungsgemäß eine einzelne spannungsbegrenzende Hilfslast sowohl für Anfahren als auch Abschalten eines Brennstoffzellenstapels verwendet. In anderen Ausführungsformen kann die Last auch als Heizelement für den Brennstoffzellenstapel dienen, z.B. durch Heizen der Einlassluft, des Wassers in einem Akkumulator oder der Platten einer Enthalpierückgewinnungsvorrichtung.
Andere Zwecke, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich anhand der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer beispielhaften Ausführungsbeispiele, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage des Stands der Technik, welche einen einzelnen spannungsbegrenzenden Hilfslastwiderstand sowohl für Anfahren als auch für Abschalten verwendet.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche einen Schalter und Steuerungen verwendet, um periodisch die spannungsbegrenzende Hilfslast mit dem externen Stromkreis der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage gemäß der Erfindung zu verbinden.
3 ist eine Kurve einer durchschnittlichen Spannung pro Zelle eines Brennstoffzellenstapels, in welchem die spannungsbegrenzende Hilfslast periodisch in den und aus dem externen Stromkreis des Brennstoffzellenstapels geschaltet wird.
4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung von Spannungskomparatoren, welche das Schalten der spannungsbegrenzenden Hilfslast wie in 3 dargestellt bewirken.
5 ist eine schematische Darstellung einer Impulsbreiten-Modulationssteuerung eines elektronischen Schalters, welcher erfindungsgemäß auf unterschiedliche Abschalt- und Anfahr-Arbeitszyklusschemata reagiert.
6 ist eine schematische Darstellung von Impulsbreiten-Modulationsschalten einer spannungsbegrenzenden Hilfslast mit einer auf Temperatur reagierenden Begrenzung des maximalen Arbeitszyklus.
7 ist eine schematische Darstellung einer Impulsbandbreiten-Modulationssteuerung eines spannungsbegrenzenden Hilfslastschalters, welcher ein Temperaturmodell verwendet, um den maximalen Arbeitszyklus zu begrenzen.
8 ist eine schematische Darstellung einer geschalteten, spannungsbegrenzenden Hilfslast, welche als Heizung in einem Wasserakkumulator eines Brennstoffzellenstapels fungiert.
9 ist eine teilweise schematische Darstellung einer geschalteten spannungsbegrenzenden Hilfslast, welche als Heizung im Lufteinlass eines Brennstoffzellenstapels verwendet wird.
10 ist eine teilweise schematische Darstellung einer geschalteten spannungsbegrenzenden Hilfslast, welche leitende Graphitverbundplatten einer Enthalpierückgewinnungsvorrichtung im Luftkreislauf einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage aufweist.
Art(en) der Ausführung der Erfindung
Es wird auf 2 Bezug genommen. Erfindungsgemäß wird ein Schalter 200 zyklisch während des Anfahrens des Brennstoffzellenstapels und des Abschaltens des Brennstoffzellenstapels betätigt, zumindest in Reaktion auf die Stapelspannung zwischen den externen Stromkreisen 177, 178. Eine Schaltersteuerung 201 kann eine Mehrzahl von Konfigurationen annehmen, welche in 4 bis 8 dargestellt sind. Verschiedene Funktionen, z.B. das Ermöglichen der Anfahr- und Abschaltverfahren, werden durch eine Prozessor-basierte Steuerung 202 gesteurt.
Eine erste Anordnung der Schalterkontrolle 201 (wie in 3 dargestellt) schließt den Schalter 200, wenn die durchschnittliche Spannung pro Zelle in dem Stapel eine obere Grenze 203 erreicht, welche in der Größenordnung von 0,33 V sein kann. Der resultierende Stromfluss bewirkt, dass die Spannung abnimmt; und wenn sich die Spannung auf eine Untergrenze 204 verringert, welche in der Größenordnung von 0,13 V sein kann, wird der Schalter 200 wiederum geöffnet.
4 ist eine vereinfachte Darstellung von Komparatoren 205, 206, welche die Zellenstapelspannung an der Leitung 177 mit einer oberen Spannungsgrenze an einer Leitung 207 vergleichen, um einen elektrischen Schalter einzuschalten, z.B. einen Insulated Gate Bipolar-Transistor (IGBT) 208, und die Zellenstapelspannung an der Leitung 177 mit einer unteren Spannungsgrenze an einer Leitung 209 vergleicht, um den elektronischen Schalter 208 abzuschalten, wenn die Spannung die untere Grenze erreicht, alles wiederum in 3 dargestellt. Die obere und untere Grenze können 0,4 V pro Zelle bzw. 0,2 V pro Zelle sein, sind vorzugsweise aber 0,2 V pro Zelle bzw. 0,1 V pro Zelle. Beim Ausführen der vorliegenden Erfindung werden die in 4 dargestellten Funktionen zur Steuerung des elektronischen Schalters 208 durch eine Mikroprozessor-basierte Steuerung 202 durchgeführt.
Der in 3 dargestellte Betrieb kann durch kommerziell erhältliche auf Spannung reagierende Hystereseschalter durchgeführt werden, welche durch Eurotherm Action, Inc. (im Netz bei www.eurotherm.com und www.actionio.com), Modelle Nr. AP1080 und AP1090, erhältlich sind. Diese Modelle reagieren auf die obere oder untere Spannungsbegrenzung nach 100 ms, um den entsprechenden Schalter entweder zu öffnen oder zu schließen; sie können jedoch einfach modifiziert werden, um auf Spannungsniveaus nach nur 25 ms reagieren zu können.
Weil das für das Zuschalten und Wegschalten der Hilfslast in den externen Stromkreis geeignete Spannungsniveau beim Anfahren sich von dem geeigneten Spannungsniveau beim Abschalten unterscheiden kann können die Ober- und Untergrenze in 4 im einen Fall für das Anfahren und im anderen Fall für das Abschalten gewählt werden. Falls kommerziell erhältliche Schalter, z.B. AP1080 und AP1090 verwendet werden, könnten separate Schalter aktiviert werden, die jeweils die geeigneten Spannungsgrenzen haben, wobei einer beim Anfahren und der andere beim Abschalten aktiviert wird.
5 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Form der Schaltersteuerung 201, welche ein Anfahr-Schema 212 und ein Abschalt-Schema 213 verwendet, wobei das jeweils richtige durch einen Schalter 214 gewählt wird, um mit einer Impulsbreiten-Modulationsfunktion 215 eine Spannung zur Verfügung zu stellen, welche einem korrekten Arbeitszyklus entspricht (d.h. der Anteil der Zeit, zu welcher der Schalter 208 eingeschaltet sein soll in Bezug auf die Gesamtzeit), um den erwünschten, die Durchschnittsspannung begrenzenden Effekt durch die Hilfslast 148 zu erreichen.
Es ist ersichtlich, dass während des Anfahrens kein spannungsbegrenzender Effekt für die Hilfslast 148 notwendig ist, bis die durchschnittliche Spannung pro Zelle in dem Stapel 0,3 V erreicht. Dann nimmt das Erfordernis, Strom von den Zellen zu ziehen und somit übermäßige Spannungen innerhalb der Zellen zu verhindern, mit der Zeit zu, bis sämtliche Brennstoffströmungsfelder vollständig mit Brennstoff gefüllt sind und das Anfahren somit vollständig ist.
Auf der anderen Seite nimmt während des Abschaltens der Arbeitszyklus rasch bis zu einem maximalen Arbeitszyklus zu, welcher gewählt ist, um die maximale Energie für die Last zu begrenzen. Der genaue Arbeitszyklus, welcher von jeder der Schemata 212, 213 gefordert wird, hängt von dem Gesamtdesign des Brennstoffzellenstapels selbst, wie auch von der Größe der Hilfslast 148, ab.
Die Impulsbreitenmodulationsfunktion 215 ist konventionell, sie konvertiert ein vom Schalter 214 empfangenes Spannungsniveau zu periodischen Ansteuerungsimpulsen für den Schalter 208, um die Hilfslast 148 mit dem Stapel (177, 178) für einen erwünschten Anteil der Zeit zu verbinden. Auf diese Weise wird die effektive Hilfslast durch eine Impulsbreiten-Modulation gesteuert. Die Arbeitszyklusschemata 212, 213 gemeinsam mit dem Schalter 214 werden im Folgenden als eine Modulationssteuerung 219 bezeichnet, welche durch die gepunktete Linie in 5 dargestellt sind.
In 6 wird die Temperatur der Hilfslast 148 überwacht durch einen Temperatursensor 221, um ein Temperatursignal an einer Leitung 222 als Input für das Maximal-Arbeitszyklus-Schema 225 bereitzustellen. Solange die Temperatur nicht eine Schwellentemperatur, Tt, überschreitet, kann der Arbeitszyklus des Schalters 208 bis zu 100% sein, zumindest was die Temperatursteuerung betrifft. Wenn die Schwellentemperatur überschritten wird, wird der Maximal-Arbeitszyklus als Funktion der Temperatur verringert, wie in Schema 225 dargestellt. Der Output des Schemas 225 wird an der Leitung 226 für eine variable Grenzfunktion 229 geliefert, welche als eine „Nicht größer als"-Funktion bezeichnet wird, wobei der Grenzwert durch das Signal an einer Leitung 226 gesteuert wird.
Das Signal an der Leitung 216 von der Modulationssteuerung 219 (in Bezug auf 5 beschrieben) wird von der Begrenzungsfunktion 229 unbeeinflusst durch eine Leitung 231 zur Impulsbandbreiten-Modulationssteuerung 215 geleitet, bis, oder es sei denn, dass die Temperatur der Hilfslast 148 die Schwellentemperatur übersteigt. Dann wird das Signal auf der Leitung 213 begrenzt, dass es nicht größer ist als das Signal auf der Leitung 226. Auf diese Weise wird die Hilfslast 148 nicht mit dem Zellenstapel mit einem ausreichend hohen Arbeitszyklus verbunden, welcher ein Überhitzen bewirken kann. Dies ist ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung.
In 7 wird statt eines Temperatursensors zur Überwachung der Temperatur der Hilfslast 148 (wie in 6) ein Wärmemodell 235 verwendet. Zunächst wird in einer Funktion 236 die Stapelspannung quadriert und durch den Widerstand der Hilfslast 148 geteilt, um ein Signal an einer Leitung 237 zur Verfügung zu stellen, welches die Spitzenleistung darstellt, welche durch die Hilfslast 148 verbraucht wird. Der durch die Modulationssteuerung 219 gesteuerte Arbeitszyklus wird dann in einer Funktion 238 verwendet, um ein Signal an einer Leitung 240 bereitzustellen, welches ein Bruchteil der Leistung darstellt, bestimmt durch den gegenwärtigen Arbeitszyklus, welcher durch die Modulationssteuerung 219 bestimmt ist. Das Signal an der Leitung 240, welches die durchschnittliche Leistung darstellt, entspricht dem Anteil der Zeit, während welcher die Last verbunden ist, wird auf das Wärmemodell 235 angewendet, welches ein Signal an einer Leitung 243 bestimmt, welches angewendet wird auf die „Nicht größer als"-Begrenzungsschaltung 2219. Auf diese Weise wird der Arbeitszyklus des PWM-Signals ge steuert, um die Maximaltemperatur der Hilfslast zu begrenzen, welche durch ein Energiebilanzmodell vorhergesagt wird. Das Modell berücksichtigt Berechnungen der Fähigkeit, Energie abzuleiten und benötigt gemessene oder angenommene Temperaturen und Strömung von Kühlmittelluft oder Wasser.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Hilfslast 148 verwendet werden, um beim Heizen und/oder Steuern die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf verschiedene Weisen zu helfen. Im Beispiel von 8 ist ein Wasserakkumulator zwischen der Kühlung 136 und dem Strömungskontrollventil bzw. der Öffnung 138 angeordnet. Die Hilfslast 148 ist eine Heizung, welche in dem Akkumulator 247 angeordnet ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Modulationskontrolle eine durchschnittliche effektive Last bewirken kann aufgrund der Weise, in welcher der Schalter 208 betätigt wird, wie bereits beschrieben, ist das Bemessen der Hilfslast 148, um eine geeignete Heizung zu sein, kein Problem. In 8 misst ein Temperatursensor 249 die Temperatur des Wassers in dem Akkumulator und liefert ein Temperatursignal an einer Leitung 250 zu einem Schema 251 des gewünschten Arbeitszyklus in Abhängigkeit der Temperatur. Die Ausgangsleitung 254 wird mit der zentralen Anschlussstelle des Schalters 214 verbunden innerhalb der Modulationssteuerung 219. Daher reagiert die Impulsbreiten-Modulationsschaltung 215 entweder auf ein Abschaltschema, ein Anfahrschema oder ein Temperaturschema in Abhängigkeit der Stellung des Schalters 214.
Typischerweise wird die in 8 schematisch dargestellt Ausführungsform der Erfindung in der Steuerung 202 durch zusätzliche Softwareroutinen realisiert, welche übliche Programmierkonzepte nutzen, welche im Stand der Technik bekannt sind.
Anstatt des Erwärmens des Akkumulators 247, wie in 8 dargestellt, kann die Hilfslast 148 in einer Wärmetauschvorrichtung 257 (wie in 9 gezeigt) zwischen dem Lufteinlasszuführventil 158 und dem Lufteinlass 124 sein. Der Temperatursensor 249 misst dabei die Temperatur der Einlassluft und steuert sie diagrammartig, wie in 8 dargestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung, in 10 kurz dargestellt, verwendet leitende Graphitverbundplatten 260 (durch gepunktete Linien dargestellt) in einer Enthal pierückgewinnungsvorrichtung 269 als Hilfslast zur Begrenzung der Spannung beim Anfahren und Abschalten. In 10 ist die Hilfslast wegen der Übereinstimmung nur schematisch dargestellt, der Widerstand ist tatsächlich die Summierung der Widerstände einer Reihe von leitenden Graphitverbundplatten 260. Ein Temperatursensor kann in der Lufteinlassleitung 160 vorgesehen sein, um das Signal an der Leitung 250 zur Verfügung zu stellen. Die Steuerung kann wie die mit Bezug auf 8 beschriebene sein.
Es sollte klar sein, dass die Fähigkeit, den Betrieb, insbesondere die Schemata 212, 213 (5), anzupassen, um verschiedenen individuellen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen zu entsprechen, und um verschiedene Veränderungen in einer bestimmten Brennstoffzelle zu berücksichtigen, während sie durch Benutzung altert, durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird und ein wichtiger Aspekt davon ist.
Obwohl die Erfindung in Ausführungsformen beschrieben ist, welche auf die Spannung des elektrischen Outputs des Brennstoffzellenstapels reagieren, kann die Erfindung anderen Charakteristika der elektrischen Leistungsabgabe des Stapels entsprechen.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Hilfslast (148) für einen Brennstoffzellenstapel (102) wird alternativ repetitiv während des Anschaltens und Ausschaltens verbunden und getrennt von dem externen Stromkreis (177, 178) der Brennstoffzelle durch einen Schalter (200) in Reaktion auf eine Schaltersteuerung (201). Der Schalter kann ein Insulated Gate-Bipolar-Transistor (208) sein, welcher an- und abgeschaltet wird durch Bewegen zwischen einer oberen Spannungsgrenze (207) und einer unteren Spannungsgrenze (208), was durch Komparatorschaltungen (205, 206), durch die Steuerung (202) oder durch kommerziell erhältliche auf Spannung reagierende Hystereseschalter erreicht werden kann. Schemata des Arbeitszyklus als Funktion der Zellenspannung zum Anfahren (212) und zum Abschalten (213) steuern einen Impulsbreiten-Modulator (215), welcher den Schalter bedient. Steuerungen (229, 231) können die Modulation begrenzen, so dass sie die Hilfslast nicht überhitzt, in Reaktion auf Temperatur (221) der Last oder auf ein Spannungs-/Leistungsmodell (235). Die Hilfslast kann eine Heizung in einem Wasserakkumulator (247), einem Lufteinlass (257) oder einer Enthalpierückgewinnungsvorrichtung (262) umfassen.

Claims

Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (100), aufweisend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (102), welche in einem Stapel in Reihe verbunden sind und ein Paar Anschlüsse (177, 178) für einen externen Stromkreis haben; und eine spannungsbegrenzende Hilfslast (148), welche vorgesehen ist, um Wärme in einem Element (247, 257, 262) der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage abzuleiten, um die Temperatur des Elements zu erhöhen; gekennzeichnet durch: einen Schalter (200), welcher in Reihe mit der Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbunden ist; und eine Schaltersteuerungseinrichtung (201; 205, 206; 212, 213), welche ausgelegt ist, um während Übergängen des Brennstoffzellenstapels, die aus Anfahren und Abschalten gewählt sind, zu bewirken, dass der Schalter alternativ (a) die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet und (b) die Hilfslast von mindestens einem der Anschlüsse repetitiv während mindestens einem der Übergänge trennt, in Reaktion auf Ausgabe elektrischer Leistung des Brennstoffzellenstapels und betreibbar ist während Zeitspannen außerhalb des Anfahrens und Abschaltens in Reaktion auf Temperatur (225, 251), welche aus der Wärme resultiert, welche durch die Hilfslast in das Element abgeleitet wird.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (100), aufweisend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (102), welche in einem Stapel in Reihe verbunden sind und ein Paar Anschlüsse (177, 178) für einen externen Stromkreis haben; eine spannungsbegrenzende Hilfslast (148); gekennzeichnet durch: einen Schalter (200), welcher in Reihe mit der Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbunden ist; und eine Schaltersteuerungseinrichtung (201; 205, 206; 212, 213), welche ausgelegt ist, um während Übergängen des Brennstoffzellenstapels, die aus Anfahren und Abschalten gewählt sind, zu bewirken, dass der Schalter alternativ (a) die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet und (b) die Hilfslast von mindestens einem der Anschlüsse repetitiv während mindestens einem der Übergänge trennt.
Stromerzeugungsanlage gemäß Anspruch 2, wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung (201) in Reaktion auf die elektrische Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels betreibbar ist.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung eine Impulsbreiten-Modulation (215) aufweist, welche auf eine Funktion (219) der Spannung zwischen den Anschlüssen reagiert.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, wobei: die Funktion (219) mindestens ein Schema des erwünschten Arbeitszyklus in Abhängigkeit der Spannung an dem Anschluss ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 5, wobei: die Funktion ein erstes Schema während des Anfahrens (212) und ein zweites Schema, welches sich von dem ersten Schema unterscheidet, während des Abschaltens (213) ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 4, wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung den Arbeitszyklus begrenzt in Reaktion auf eine Funktion der Leistung (235, 236, 239), welche von der Hilfslast abgeleitet wird.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung die Zeitmenge begrenzt, während welcher der Schalter die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet in Reaktion auf eine Funktion der Leistung (235, 236, 239), welche in der Hilfslast abgeleitet wird.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung (205) bewirkt, dass der Schalter die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet in Reaktion auf die Spannung zwischen den Anschlüssen bei Erreichen von 0,4 V pro Zelle; und wobei die Schaltersteuerungseinrichtung (206) bewirkt, dass der Schalter die Hilfslast von mindestens einem der Anschlüsse trennt in Reaktion auf die Spannung zwischen den Anschlüssen bei Erreichen von 0,0 V pro Zelle.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung (205) bewirkt, dass der Schalter die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet in Reaktion auf die Spannung zwischen den Anschlüssen bei Erreichen von 0,2 V pro Zelle; und wobei die Schaltersteuerungseinrichtung (206) bewirkt, dass der Schalter die Hilfslast von mindestens einem der Anschlüsse trennt in Reaktion auf die Spannung zwischen den Anschlüssen bei Erreichen von 0,1 V pro Zelle.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, ferner aufweisend: eine Temperatureinrichtung (241, 249) zum Liefern eines Signals, welches repräsentativ für die Temperatur der Hilfslast ist; und wobei: die Schaltersteuerungseinrichtung (215, 251) die Menge an Zeit begrenzt, während welcher der Schalter die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet in Reaktion, auf das Signal, wenn es auf eine Temperatur über einer Schwellentemperatur hinweist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 2, wobei: die Spannungssteuerungseinrichtung bewirkt (205), dass der Schalter die Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbindet in Reaktion auf die Spannung zwischen den Anschlüssen bei Erreichen einer oberen Spannungsgrenze und bewirkt (206), dass der Schalter die Hilfslast von mindestens einem der Anschlüsse trennt in Reaktion auf die Spannung zwischen den Anschlüssen bei Erreichen einer unteren Spannungsgrenze.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 12, wobei: die obere Spannungsgrenze 0,4 V pro Zelle und die untere Spannungsgrenze 0,0 V pro Zelle ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 12, wobei: die obere Spannungsgrenze 0,2 V pro Zelle und die untere Spannungsgrenze 0,1 V pro Zelle ist.
Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (100), aufweisend: eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (102), welche in einem Stapel in Reihe verbunden sind und ein Paar Anschlüsse (177, 178) für einen externen Stromkreis haben; gekennzeichnet durch: eine spannungsbegrenzende Hilfslast (148), welche vorgesehen ist, um Wärme in einem Element (247, 257, 262) der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage abzuleiten, um die Temperatur des Stapels zu erhöhen; einen Schalter (200), welcher in Reihe mit der Hilfslast zwischen den Anschlüssen verbunden ist; und eine Schaltersteuerungseinrichtung (201), welch ausgelegt ist, um den Schalter (a) während Übergängen (205, 206, 212, 213) zu steuern, die gewählt sind aus Anfahren und Abschalten, in Reaktion auf die elektrischee Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels und (b) während Zeitspannen außerhalb des Anfahrens und Abschaltens in Reaktion auf Temperatur (225, 251) zu steuern, welche resultiert aus Ableiten der Wärme durch die Hilfslast in das Element.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 15, wobei: das Element ein Wasserakkumulator (247) in der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 15, wobei: das Element (257) Oxidationsmittel zu dem Brennstoffzellenstapel leitet.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 15, wobei: das Element eine Enthalpierückgewinnungsvorrichtung (262) in der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage ist.
Stromerzeugungsanlage nach Anspruch 18, wobei: die Hilfslast leitende Graphitverbundplatten (216) in der Enthalpierückgewinnungsvorrichtung umfasst.