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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels durch Überwachen der Membranhydratation.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Umwandlungszellen, gemeinhin Brennstoffzellen genannt, welche durch Verarbeiten eines ersten und eines zweiten Reaktanden elektrische Energie erzeugen. So kann etwa in einer Brennstoffzelle durch die Reduktion eines sauerstoffhaltigen Gases und die Oxidation eines wasserstoffhaltigen Gases elektrische Energie erzeugt werden. In rein veranschaulichender Weise und ohne jeglichen einschränkenden Charakter gesprochen umfasst eine typische Zelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die zwischen einem Paar von Strömungsfeldern positioniert ist, die die betreffenden Reaktanden aufnehmen. Im Spezielleren können eine Kathodenströmungsfeldplatte und eine Anodenströmungsfeldplatte an entgegengesetzten Seiten der MEA positioniert sein. Die von einer einzelnen Zelleneinheit bereitgestellte Spannung ist typischerweise für eine nutzbare Anwendung zu gering, so dass es üblich ist, eine Mehrzahl von Zellen zu einem leitend gekoppelten ”Stapel” anzuordnen, um die elektrische Leistungsabgabe der elektrochemischen Umwandlungsanordnung zu erhöhen.
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Die Membranelektrodenanordnung umfasst typischerweise eine Protonenaustauschmembran, die eine Anodenschicht von einer Kathodenschicht der MEA trennt. Die MEA ist typischerweise durch eine unter nassen Bedingungen erhöhte Protonenleitfähigkeit gekennzeichnet. Zum Zweck der Beschreibung des Zusammenhangs der vorliegenden Erfindung sei hier angemerkt, dass die Auslegung und der Betrieb von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln im Allgemeinen den Umfang der vorliegenden Erfindung übersteigt. Die vorliegende Erfindung betrifft vielmehr Verfahren zur Lenkung der Ermüdungslebensdauer des Zyklusbetriebs der MEA-Hydratation bei Brennstoffzellen. Bezüglich der Auslegung und des Betriebs von Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapeln verweisen die Anmelder auf die große Auswahl an Lehren, welche die Art und Weise, in der Brennstoffzellen-”Stapel” und die verschiedenen Komponenten des Stapels ausgelegt sind, abdecken. So betreffen etwa mehrere U.S.-Patente und veröffentlichte Anmeldungen in direkter Weise Brennstoffzellenauslegungen und entsprechende Betriebsverfahren. Im Spezielleren bieten
1 und
2 der
US 2005/0058864 A1 und deren begleitender Text eine detaillierte Darstellung der Komponenten eines bestimmten Brennstoffzellenstapel-Typs und ist diese spezielle Materie ausdrücklich hierin durch Bezugnahme mit eingeschlossen.
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Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung sind aus den Druckschriften
DE 100 83 954 B4 und
US 2005/0 150 276 A1 bekannt.
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KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Lebensdauer einer Brennstoffzelle mit einer hydratisierten MEA hängt in hohem Ausmaß von dem Hydratationszustand der in der MEA verwendeten Polymerelektrolytmembran ab. Um den Widerstand der Protonenleitfähigkeit in der Membran zu verringern, ist es normalerweise wünschenswert, die Polymerelektrolytmembran in ausreichend hydratisiertem Zustand zu erhalten. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass unter typischen Betriebsbedingungen die MEA in ihrem Zyklusbetrieb relativ nasse und relativ trockene Zustände durchläuft. Diese Membranhydratationszyklen sind während der Vorgänge des Hochfahrens und des Herunterfahrens der Brennstoffzelle sowie bei fluktuierender Leistungsanforderung während des Betriebs der Brennstoffzelle besonders stark ausgeprägt.
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Eine der Folgen des zuvor erwähnten Hydratations-Zyklusbetriebs ist eine signifikante Verschlechterung der mechanischen Lebensdauer der MEA. Im Spezielleren steht die Ermüdungszykluslebensdauer einer MEA in direkter Beziehung zu der Membranspannung. Die Membranspannung ist ihrerseits in hohem Maß von dem Wassergehalt, der Dehydratationsrate, der Temperatur und der Erwärmungs-/Abkühlungsrate abhängig. Das Verhältnis zwischen Membranspannung und Ermüdungslebensdauer lässt sich mittels einer Ermüdungslebensdauer-Kurve darstellen, die hier auch als S-N-Kurve bezeichnet wird. Gemäß der S-N-Kurve, die beispielhalber in 1 dargestellt ist, wird eine normalisierte Membranspannung, d. h. eine normalisierte Spannung in Bezug auf die Spannung einer Zelle mit einer Lebensdauer von 4000 Zyklen, in Gegenüberstellung zu der Membranlebensdauer für eine Vielzahl unterschiedlicher Testbedingungen aufgetragen, wobei die Membranlebensdauer als die Anzahl der Zyklen bis zum Auftreten eines Lecks definiert ist, und höhere Membranspannungen im Allgemeinen mit einer geringeren Brennstoffzellen-Lebensdauer einhergehen. Es sei angemerkt, dass durch die Auswahl anderer Ausfallkriterien alternative Ermüdungslebensdauer-Kurven gewonnen werden können. So kann beispielsweise anstelle des Auftretens eines Lecks eine Leckrate von 0,2 sccm als Ausfallkriterium verwendet werden.
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Der Erfinder hat erkannt, dass die Membranspannung minimiert werden kann, indem Variablen wie Membranhydratations- und -dehydratationsraten, Wassergehalt, Temperatur und Erwärmungs-/Abkühlungsrate in angemessener Weise geregelt werden. Durch das Minimieren der Membranspannung kann die Ermüdungslebensdauer der Membran verlängert werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die Erstellung eines Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramms basierend auf einer geeigneten S-N-Kurve und einem geeigneten Membranspannungsmodell oder auf einem anderen geeigneten Mittel zur Berechnung von Membranspannungen für gegebene Werte einer Dehydratationsrate, eines Wassergehalts, einer Temperatur und eines Ausgangs-Wassergehalts bei einsetzender Dehydratation. Es ist erwogen, dass geeignete S-N-Kurven gut mit der betreffenden Membran korrespondieren sollen und dass sie basierend auf verfügbaren Membrandaten experimentell oder durch Annäherung bestimmt werden können.
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Es folgt ein Beispiel eines geeigneten Membranspannungsmodells:
wobei die Werte für die Membranhydratation λ, die Veränderung der Membranhydratation Δλ, die Membrantemperatur T, den Hygro-Expansionskoeffizienten β, und die einachsige Kriechnachgiebigkeit D aus Materialtests und Brennstoffzellensystemtests bezogen sind, und wobei λ, Δλ den Wassergehalt der Membran, ausgedrückt in Anzahl von Wassermolekülen pro Säurezentrum mit der Einheit H
2O/H
+ darstellt, ein Dehnungstensor ist, σ die Spannung darstellt, t die Zeit darstellt, δ
ij das Kronecker-Delta ist, B die Massen-Kriechnachgiebigkeit ist, s die Dehnungskomponente der angewendeten Spannung ist, s
ij die deviatorische Komponente der angewendeten Spannung ist, und ξ eine die Zeit darstellende Integrationsvariable ist. Die Einzelheiten dieses Membranspannungsmodells übersteigen den Umfang der vorliegenden Erfindung und es kann dazu eine Vielzahl geeigneter Lehren zur Spannungsmodellierung konsultiert werden. Das Modell wird hier lediglich zu Veranschaulichungszwecken herangezogen und sollte nicht dazu verwendet werden, um den Umfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
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Ein Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramm, welches beispielhalber in 2 veranschaulicht ist, kann unter Verwendung der S-N-Lebensdauerkurve und einer berechneten, gemessenen, angenäherten oder anderweitig bestimmten Membranspannung erstellt werden. Nachdem das Konturendiagramm erstellt worden ist, kann daraufhin der beste Pfad zum Dehydratisieren der Membran auf einen vorbestimmten, bevorzugten oder anderweitig geeigneten Wassergehaltwert bestimmt werden, indem ein Pfad ausgewählt wird, der vorbestimmten Ermüdungslebensdauerbedingungen gerecht wird, die durch die Konturbereiche des Konturendiagramms definiert sind. Optimale Dehydratationspfade sind typischerweise solche, die durch eine relativ hohe Ermüdungslebensdauer gekennzeichnet sind. Es sei ferner angemerkt, dass eine Reihe von Ermüdungslebensdauer-Konturendiagrammen bei verschiedenen Temperaturen geschaffen werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, an einem bestimmten Wassergehaltpunkt von einer Temperatur zu einer anderen überzugehen, indem von einem Konturendiagramm bei einer bestimmten Temperatur auf ein Konturendiagramm übergewechselt wird, das für eine andere Temperatur erstellt wurde. Es kann dann unter Verwendung des Konturendiagramms für die neue Temperatur ein optimaler Dehydratationspfad verfolgt werden.
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Es ist erwogen, dass die Membran auf jede beliebige, geeignete Weise dehydratisiert werden kann. In einem Beispiel ohne jeden einschränkenden Charakter ist erwogen, dass die Membran dehydratisiert werden kann, indem die Temperatur der Membran, die Feuchtigkeit in dem Kathodenströmungsfeld und dem Anodenströmungsfeld, die Strömungsraten und Gasdrücke in dem jeweiligen Kathodenströmungsfeld bzw. Anodenströmungsfeld geregelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass eine Hydratationsänderungsgeschwindigkeit in der Protonenaustauschmembran gemessen wird, dass ein der gemessenen Hydratationsänderungsgeschwindigkeit entsprechendes Signal erzeugt wird, und dass zumindest ein Betriebsparameter der elektrochemischen Umwandlungsanordnung durch Überwachen des die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigenden Signals geregelt wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung geschaffen, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (i) eine Hydratationsänderungsgeschwindigkeit in der Protonenaustauschmembran gemessen wird, indem eine Größenänderung des leitend gekoppelten Brennstoffzellenstapels erkannt wird, während die Membranhydratation sich verändert, oder indem eine Druckänderung des leitend gekoppelten Brennstoffzellenstapels erkannt wird, während die Membranhydratation sich verändert; (ii) ein die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigendes Signal erzeugt wird; und (iii) die Membranhydratation der elektrochemischen Umwandlungsanordnung geregelt wird, indem die Protonenaustauschmembran dehydratisiert wird, während gleichzeitig das die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigende Signal überwacht wird.
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Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Lebensdauer einer Brennstoffzelle mit einer hydratisierten MEA zu erhöhen. Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der Beschreibung der hier dargestellten Erfindung ersichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die nachfolgende, detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturelemente durch gleiche Referenzzahlen bezeichnet sind und in denen:
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1 eine Darstellung einer Ermüdungslebensdauer-Kurve, hier auch S-N-Kurve genannt, ist, welche die Beziehung zwischen Spannung und Ermüdungslebensdauer der Membran zeigt;
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2 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramms ist;
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3 eine grafische Darstellung der Reaktanden-Leckrate über eine Protonenaustauschmembran in einer elektrochemischen Umwandlungszelle hinweg ist; und
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4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen, elektrochemischen Umwandlungsanordnung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Details der vorliegenden Erfindung können eingehender veranschaulicht werden, indem auf das in 2 gezeigte, spezielle Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramm Bezug genommen wird und indem als Beispiel eine spezielle Anwendung angenommen wird, bei welcher die Anforderung besteht, den Wassergehalt der Protonenaustauschmembran von einem relativ nassen Zustand, λ = 23,7, auf einen trockeneren Zustand von λ = 4 zu verringern, und zwar bei einer Temperatur von ungefähr 80°C. Zu Vergleichszwecken sei erwähnt, dass der Ermüdungslebensdauer-Zyklus für eine Dehydratation entlang dem Pfad A bei einer im Wesentlichen konstanten Rate von ungefähr 0,25 H2O/H+ pro Sekunde eine Ermüdungslebensdauer von etwa 6000–7000 Zyklen ergeben würde. Gemäß der erfindungsgemäßen Methodologie, die sich auf eine Dehydratation entlang dem Pfad B bezieht, wird die Membran anfänglich bei einer Rate von ungefähr H2O/H+ pro Sekunde dehydratisiert, bis die Membranhydratation λ einen Wert erreicht, bei welchem die erwartete Ermüdungslebensdauer unter ein annehmbares Niveau von beispielsweise < 13.000 Zyklen bis zum Auftreten eines Lecks fallen würde. Um innerhalb eines optimalen bzw. annehmbaren Ermüdungslebensdauerzyklus-Werts zu bleiben, wird die Dehydratationsrate intermittierend oder kontinuierlich reduziert, wobei der Dehydratationspfad innerhalb eines annehmbaren Ermüdungslebensdauerbereichs von beispielsweise > 13000 gehalten wird, bis der angepeilte Wassergehalt von λ = 4 erreicht ist. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung würde der erwartete Ermüdungslebensdauer-Zyklus wahrscheinlich zwischen 13000 und 14000 Zyklen fallen, was einer wesentlichen Verbesserung gegenüber der oben angegebenen Ermüdungslebensdauer von etwa 6000–7000 Zyklen gleichkommt. Die Dehydratationsrate ist in 2 in einer abgestuften Weise veranschaulicht, um die Besprechung der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Es sei jedoch angemerkt, dass eine weniger intermittierende Reduktion der Dehydratationsrate innerhalb des in 2 veranschaulichten, spezifischen Konturenpfads wahrscheinlich zu weiteren Verbesserungen bei der erwarteten Ermüdungslebensdauer führt.
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Demgemäß ist durch die erfindungsgemäße Methodologie die Einleitung einer Membrandehydratationssequenz bei einer Ausgangs-Membranhydratation λWET und die Beibehaltung der Dehydratationssequenz, bis die Membran durch eine Ziel-Membranhydratation λDRY gekennzeichnet ist, vorgesehen. Es ist erwogen, dass die erfindungsgemäße Dehydratationssequenz nicht eingeleitet werden muss, wenn die Membranhydratation einen Maximalwert aufweist, oder beendet werden muss, wenn die Membranhydratation einen Minimalwert aufweist. Vielmehr kann die Sequenz zu jedem beliebigen Zeitpunkt in dem Lebensdauerzyklus der Membran eingeleitet werden, zu dem eine geregelte Membrandehydratation wünschenswert ist, und kann sie zu jedem beliebigen Zeitpunkt beendet werden, zu dem eine geregelte Membrandehydratation nicht mehr erforderlich oder wünschenswert ist. In jedem Fall ist die Ausgangs-Membranhydratation λWET im Wesentlichen größer als die Ziel-Membranhydratation λDRY. Im Allgemeinen liegen die Ziel-Membranhydratationen λDRY oft unterhalb von ungefähr λ = 8, wobei λ den Wassergehalt der Membran als Anzahl von Wassermolekülen je Säurezentrum darstellt. Es ist erwogen, dass die Ausgangs-Membranhydratation und die Ziel-Membranhydratation je nach speziellem Kontext, in dem die vorliegende Erfindung zur Anwendung kommt, in beträchtlichem Ausmaß variiert.
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Es ist erwogen, dass die Membran auf jede beliebige, geeignete Weise dehydratisiert werden kann, worunter auch, jedoch nicht ausschließlich, die Dehydratation durch die Regelung der Temperatur der Membran, der Feuchtigkeit in dem ersten Reaktanden-Strömungsfeld, der Feuchtigkeit in dem zweiten Reaktanden-Strömungsfeld, der Strömungsrate in dem ersten Reaktanden-Strömungsfeld, der Strömungsrate in dem zweiten Reaktanden-Strömungsfeld, des Gasdrucks in dem ersten Reaktanden-Strömungsfeld und/oder des Gasdrucks in dem zweiten Reaktanden-Strömungsfeld fällt.
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Die Dehydratationssequenz ist durch eine Trocknungsrate gekennzeichnet, die in einer Weise variiert, welche im Wesentlichen einem Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramm der Membran entspricht, wie dies beispielhalber in der weiter oben besprochenen 2 veranschaulicht ist. Im Spezielleren kann ein Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramm der Membran unter Verwendung einer Ermüdungslebensdauer-Kurve der Membran und einer berechneten, gemessenen, angenäherten oder anderweitig bestimmten Membranspannung erstellt werden. Die zur Erstellung des Diagramms verwendete Ermüdungslebensdauer-Kurve, welche beispielhalber in der weiter oben besprochenen 1 veranschaulicht ist, umfasst typischerweise einen Verlauf, der Punkte darstellt, bei denen eine wesentliche Zunahme der Leckrate der Reaktanden über die Membran hinweg auftritt. Es sei jedoch angemerkt, dass eine Vielzahl von alternativen Mitteln zur Messung der Ermüdungslebensdauer verwendet werden kann. So könnte etwa anstatt der Bezugnahme auf den Punkt, an welchem es zu einer substanziellen Zunahme der Leckrate über die Membran hinweg kommt, jener Punkt herangezogen werden, an welchem die Leckrate einen gegebenen Wert von beispielsweise 0,2 sccm/cm2 an aktiver Fläche der MEA überschreitet. Es sei angemerkt, dass die Leckrate auf vielfältige Art und Weise bestimmt werden kann, wie für den Fachmann auf dem Gebiet des Brennstoffzellenentwurfs zu erkennen ist. In einem Beispiel ohne jeden einschränkenden Charakter können Leckraten durch physisches Messen der Gas-Leckströmung oder des Druckabfalls oder durch Messen des Übertrittsstroms, der Leerlaufspannungs-Abfallzeit, usw. bestimmt werden. In jedem Fall wurde die in 1 dargestellte Ermüdungslebensdauer-Kurve erstellt, indem das Auftreten eines Lecks für eine betreffende Membran über eine Vielfalt von Betriebsbedingungen hinweg überwacht wurde und indem verschiedene Punkte für das Auftreten eines Lecks als Funktion einer berechneten, gemessenen, oder anderweitig ermittelten Membranspannung, sowie die Anzahl der Hydratationszyklen vor Auftreten des Lecks aufgetragen wurden. Die Membranspannung, die verwendet wurde, um das Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramm zu erstellen, kann auf vielfältige Weise bestimmt werden. Beispielsweise kann zur Bestimmung der Membranspannung das weiter oben beschriebene Membranspannungsmodell zur Darstellung der spezifischen Membran und der relevanten Betriebsbedingungen verwendet werden.
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Ungeachtet der Art und Weise, wie erfindungsgemäße Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramme erstellt werden, wird die Dehydratationsrate dergestalt geregelt, dass sie speziellen Konturen innerhalb des Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramms folgt. Beispielsweise kann die Dehydratationssequenz dergestalt geregelt sein, dass sie nur jenen Konturen innerhalb des Diagramms folgt, die durch einen erwarteten Zyklus-Lebensdauerwert gekennzeichnet sind, welcher ungefähr 6.000 Zyklen übersteigt. In der in 2 dargestellten, erfindungsgemäßen Ausführungsform wird in Bezug auf den in dem Diagramm vorgestellten Dehydratationspfad B die Dehydratationssequenz dergestalt geregelt, dass sie nur jenen Konturen innerhalb des Diagramms folgt, die durch einen Lebensdauer-Zyklus von mehr als ungefähr 13.000 Zyklen gekennzeichnet sind. Im Allgemeinen ist die Dehydratationssequenz des Pfades B durch eine Trocknungsrate gekennzeichnet, welche abnimmt, während die Membranhydratation sich der Ziel-Membranhydratation λDRY annähert. Die Trocknungsrate ist in 2 als in einer im Wesentlichen intermittierenden Weise abnehmend dargestellt, es sei jedoch angemerkt, dass die Trocknungsrate kontinuierlich (siehe Pfad C), intermittierend, oder kontinuierlich und intermittierend sein kann, und zwar in einer gleichmäßigen oder nichtgleichmäßigen Art und Weise. Weiterhin können, wie in 2 veranschaulicht, erfindungsgemäße Dehydratationssequenzen Perioden mit im Wesentlichen konstanter, nicht abnehmender Trocknungsrate umfassen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 2 und bei einem Vergleich des relativ konstanten Dehydratationspfads A mit dem weiter oben beschriebenen Pfad B sei angemerkt, dass die in dem Pfad B dargestellte Dehydratationssequenz durch einen erwarteten Lebensdauer-Zyklus gekennzeichnet ist, der die erwartete Zyklus-Lebensdauer des Pfades A, der mit einer im Wesentlichen konstanten Dehydratationsrate verbunden ist, die bei oberhalb von etwa 0,125 H2O/H+ pro Sekunde liegt, bei Weitem überschreitet. Natürlich ist die im Wesentlichen konstante Dehydratationsrate von 0,125 H2O/H+ pro Sekunde hier lediglich zu Veranschaulichungszwecken angeführt und soll sie in keiner Weise den Umfang der Erfindung über den in den beigefügten Patentansprüchen angegebenen Definitionsumfang hinausgehend einschränken. Zu Veranschaulichungszwecken sei angemerkt, dass ein Lebenszyklus-Lebensdauerwert dergestalt gewählt sein kann, dass er einen Punkt darstellt, bei welchem ein substanzieller Zuwachs der Leckrate von Reaktanden über die Membran hinweg auftritt. Ein Zyklus stellt den Befeuchtungswechsel der Membran von einem relativ hydratisierten Zustand zu einem relativ dehydratisierten Zustand und wieder zurück zu einem relativ hydratisierten Zustand dar.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es erwogen, dass effektive Dehydratationssequenzen auch ohne Bezug zu einem Ermüdungslebensdauer-Konturendiagramm ausgelegt sein können, indem die Dehydratationssequenz dergestalt geregelt wird, dass die Trocknungsrate sich graduell oder intermittierend verringert, während die Membranhydratation sich der Ziel-Membranhydratation λDRY annähert.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die elektrochemische Umwandlungszelle mit einem Zellen-Controller versehen, der entsprechend programmiert ist, um die Membrandehydratationssequenz einzuleiten und beizubehalten, bis die Membran durch eine Ziel-Membranhydratation λDRY gekennzeichnet ist. In diesem Lichte ist anzumerken, dass die Membrandehydratationssequenz bei Detektion eines Auslösesignals eingeleitet werden kann, das einen bestimmten Betriebszustand der elektrochemischen Umwandlungszelle darstellt. Beispielsweise ist erwogen, dass das Auslösesignal den Wassergehalt der Membran darstellen kann, so dass die Dehydratation eingeleitet wird, wenn der Wassergehalt einen Maximalwert erreicht oder einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Alternativ dazu kann das Auslösesignal die relative Feuchtigkeit in dem Reaktanden-Strömungsfeld, die aktuelle Leistungsanforderung an die Zelle, die Einleitung oder die Beendigung eines Vorgangs des Hochfahrens oder des Herunterfahrens in der Zelle, den Abschluss eines Hydratationszyklus der Zelle oder Kombinationen daraus darstellen.
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Zusätzlich ist erwogen, dass die Dehydratationssequenz bei Detektion eines Abschlusssignals, das einen Betriebszustand der elektrochemischen Umwandlungszelle darstellt, abgeschlossen werden kann. Das Abschlusssignal kann den Wassergehalt der Membran, die relative Feuchtigkeit in dem Reaktanden-Strömungsfeld, die Leistungsanforderung an die Zelle, die Einleitung oder die Beendigung eines Vorgangs des Hochfahrens oder des Herunterfahrens in der Zelle, den Abschluss eines Dehydratationszyklus der Zelle oder Kombinationen daraus darstellen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die weiter oben beschriebene Membrandehydratationssequenz oder jedes beliebige, andere Membranhydratationsregelungsschema durch Überwachen eines die Änderungsgeschwindigkeit der Membranhydratation anzeigenden Parameters geregelt. Im Speziellen kann unter Bezugnahme auf 4 dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einer elektrochemischen Umwandlungsanordnung 10 beschrieben werden, die eine Mehrzahl von elektrochemischen Umwandlungszellen umfasst, welche zu einem leitend gekoppelten Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet sind. Wie weiter oben angemerkt, umfassen die betreffenden Zellen zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktanden-Strömungsfeld jeweils Membranelektrodenanordnungen. Die Membranelektrodenanordnungen umfassen jeweils entsprechende Protonenaustauschmembranen.
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Gemäß dem Verfahren wird ein die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigendes Signal erzeugt, indem die Hydratationsänderungsgeschwindigkeit in der Protonenaustauschmembran gemessen wird. Dieses erzeugte Signal, das die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigt, wird dann dazu verwendet, einen oder mehrere Betriebsparameter der elektrochemischen Umwandlungsanordnung zu regeln. Im Speziellen wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Änderungsgeschwindigkeit der Membranhydratation gemessen, indem eine Größenänderung des leitend gekoppelten Brennstoffzellenstapels erkannt wird, während die Membranhydratation sich ändert. Ein die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigendes Signal kann erzeugt werden, indem die Größenänderung mit einem aus einem Satz von vorbestimmten Änderungsgeschwindigkeitswerten ausgewählten Wert korreliert wird. Das Signal kann beispielsweise aus einer Nachschlagetabelle oder einem anderen Index erzeugt werden, der vorbestimmte Dickenänderungen des Brennstoffzellenstapels mit vorbestimmten Hydratationsänderungsgeschwindigkeiten korreliert.
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Zur Veranschaulichung sei hier angemerkt, dass die Dickenabmessung eines Brennstoffzellenstapels durch jedes beliebige, herkömmliche oder noch zu entwickelnde Mittel, wie etwa einen linear variablen Verschiebungswandler, ein Dilatometer, einen Dehnungsmesser, ein optisches Interferometer, usw. überwacht werden kann, wobei die genannten Beispiele keinen einschränkenden Charakter haben sollen. In der dargestellten Ausführungsform sind Dehnungsmesser 30, die an den Seitenplatten 25 des Brennstoffzellenstapels 20 montiert sind, entsprechend ausgelegt, um die Dicke des Brennstoffzellenstapels 20 zu detektieren. Zusätzlich können linear variable Verschiebungswandler 40 entsprechend ausgelegt sein, um Größenänderungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 zu überwachen.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigendes Signal erzeugt, indem eine Druckveränderung des leitend gekoppelten Brennstoffzellenstapels erkannt wird, während die Membranhydratation sich verändert. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders gut für Brennstoffzellenstapel, die entsprechend aufgebaut sind, um Veränderungen der Stapeldicke zu begrenzen. Wie weiter oben in Bezug auf die Verwendung von Größenänderungen des Stapels angemerkt, kann diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch ein In-Beziehung-Setzen der Druckveränderung mit einem Wert mit sich bringen, der aus einem Satz von vorbestimmten Änderungsgeschwindigkeitswerten ausgewählt ist. Es ist erwogen, dass der Druck in dem Brennstoffzellenstapel durch jedes beliebige, geeignete, herkömmliche oder noch zu entwickelnde Mittel, wie etwa Kraftmesszellen und Druckmesszellen gemessen werden kann, wobei die genannten Beispiele keinen einschränkenden Charakter haben sollen. In der dargestellten Ausführungsform können die weiter oben beschriebenen, linear variablen Verschiebungswandler 40 durch Kraftmesszellen oder andere Vorrichtungen ersetzt sein, die entsprechend ausgelegt sind, um Druckänderungen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 zu detektieren.
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Es ist erwogen, dass es vorteilhaft sein kann, die Protonenaustauschmembran zu dehydratisieren, während gleichzeitig das die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit anzeigende Signal überwacht wird. So kann beispielsweise eine Ziel-Dehydratationsrate für die Gesamtheit einer bestimmten Membrandehydratationssequenz oder für einen beliebigen Teil davon ermittelt werden, und diese Ziel-Rate kann validiert werden, indem das die gemessene Hydratationsänderungsgeschwindigkeit in der Membran anzeigende Signal überwacht wird. Diese Validierung kann nach Belieben in einer der vielfältigen dafür geeigneten Arten durchgeführt werden, wobei auch, jedoch nicht ausschließlich, die Verwendung einer elektronischen Rückkoppelungsschleife in Frage kommt.
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Wie bereits weiter oben angemerkt, kann eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapel-Betriebsparametern als eine Funktion der Rate, mit welcher die Hydratation in der Protonenaustauschmembran sich verändert, bzw. in Beziehung zu dieser geregelt werden. Es ist beispielsweise erwogen, dass die Membranhydratation, die Brennstoffzellenstapeltemperatur, die relative Feuchtigkeit der zugeführten Reaktanden, die Reaktanden-Zuführströmungsraten, der Reaktanden-Zuführdruck, die elektrische Ladung des Brennstoffzellenstapels oder Kombinationen daraus als eine Funktion der Rate, mit welcher die Hydratation in der Protonenaustauschmembran sich verändert, bzw. in Beziehung zu dieser geregelt werden kann. Ungeachtet der speziellen Brennstoffzellenstapel-Betriebsparameter, die es zu regeln gilt, ist es erwogen, dass ein oder mehrere Zielwerte, auf welche der spezielle Betriebsparameter geregelt werden soll, durch einen Vergleich des betreffenden Zielwerts mit dem erzeugten Signal festgelegt und validiert werden können. Darüber hinaus sei angemerkt, dass der Betriebsparameter ohne Bezugnahme auf einen Wert geregelt werden kann, der einen tatsächlichen Hydratationsgrad in der Protonenaustauschmembran darstellt, da es bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung lediglich auf die Rate ankommt, mit welcher die Hydratation sich verändert, im Gegensatz zu dem tatsächlichen Hydratationswert. Demgemäß brauchen langfristige Veränderungen des Drucks oder der Dicke des Brennstoffzellenstapels bei speziellen Hydratationswerten nicht weiter berücksichtigt werden, da keine nennenswerte Abhängigkeit von dem absoluten Wert des Drucks bzw. der Hydratation in dem Stapel gegeben ist.
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Es sei angemerkt, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hier nicht dazu verwendet werden, um den Umfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken, oder um anzudeuten, dass gewisse Merkmale entscheidend, wesentlich oder auch nur wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung seien. Mit diesen Begriffen sollen vielmehr nur alternative oder zusätzliche Merkmale hervorgehoben werden, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder auch nicht.
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Für die Zwecke des Beschreibens und Definierens der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier verwendet wird, um den spezifischen Grad an Ungewissheit darzustellen, der jeglichem quantitativen Vergleich, jedem Wert und jeder Messung oder anderen Darstellung zugemessen werden kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hier auch dazu verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Referenzwert abweichen kann, ohne dass dies zu einer Veränderung bei der Basisfunktion des in Rede stehenden Sachverhalts führt.
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Nach erfolgter, detaillierter Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne dass dadurch von dem in den beigefügten Patentansprüchen definierten Umfang der Erfindung abgewichen wird. Es werden zwar im Spezielleren gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet, es wird jedoch nicht erwogen, dass die vorliegende Erfindung notwendigerweise auf diese bevorzugten, erfindungsgemäßen Aspekte beschränkt sein soll.
