-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere ein System und ein Verfahren zum Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels, das umfasst, dass das Befeuchtungsniveau der Kathodenseite des Stapels erhöht wird, um die Zellenmembranen zu hydratisieren, und Wasserstoff an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bei Systemabschaltung geliefert wird, ohne dass Stapellasten angelegt sind, so dass der Wasserstoff die Membranen zu der Kathodenseite durchquert und mit Sauerstoff reagiert, um Schmutzstoffe zu reduzieren, wobei das System Auslöser für Rekonditionierungsereignisse, Rekonditionierungsschwellen und -grenzen sowie Rekonditionierungssystemprüfungen überwacht, so dass der Rekonditionierungsprozess während des Fahrzeugbetriebs bereitgestellt werden kann.
-
2. Diskussion der verwandten Technik
-
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird an dem Anodenkatalysator aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
-
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode weisen typischerweise, jedoch nicht stets, fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich einen hoch aktiven Katalysator, wie Platin (Pt), der typischerweise auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
-
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
-
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungsfelder vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungsfelder vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
-
Die Membran in einer Brennstoffzelle muss einen ausreichenden Wassergehalt besitzen, so dass der Innenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Eine Membranbefeuchtung kann von dem Stapelwasser-Nebenprodukt oder externer Befeuchtung stammen. Die Strömung von Reaktanden durch die Strömungskanäle des Stapels besitzt eine Trocknungswirkung auf die Zellenmembranen, am deutlichsten an einem Einlass der Reaktandenströmung. Jedoch kann die Ansammlung von Wassertröpfchen in den Strömungskanälen ein Hindurchströmen von Reaktanden verhindern und kann bewirken, dass die Zelle aufgrund geringer Reaktandengasströmung ausfällt, wodurch die Stapelstabilität beeinträchtigt wird. Die Ansammlung von Wasser in den Reaktandengasströmungskanälen wie auch innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist bei geringen Stapelausgangslasten besonders problematisch.
-
Wie oben erwähnt ist, wird Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt. Daher enthält das Kathodenabgas von dem Stapel typischerweise Wasserdampf und flüssiges Wasser. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen und das Wasser zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluftströmung zu verwenden. Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Wasserübertragungselemente, wie der Membranen, wird durch die Wasserübertragungselemente absorbiert und an den Kathodenluftstrom an der anderen Seite der Wasserübertragungselemente übertragen.
-
In einem Brennstoffzellensystem existiert eine Anzahl von Mechanismen, die einen permanenten Verlust an Stapelleistung bewirken, wie einen Verlust an Katalysatoraktivität, eine Katalysatorträgerkorrosion sowie Stiftlochbildung in den Zellenmembranen. Jedoch existieren andere Mechanismen, die Stapelspannungsverluste bewirken können, die im Wesentlichen reversibel sind, wie die Austrocknung von Zellenmembranen, die Katalysatoroxidbildung sowie der Aufbau von Schmutzstoffen an sowohl der Anoden- als auch Kathodenseite des Stapels. Daher existiert ein Bedarf in der Technik, die Oxidbildungen sowie den Aufbau von Schmutzstoffen zu beseitigen, wie auch die Zellenmembrane zu rehydratisieren, um Verluste in der Zellenspannung in einem Brennstoffzellenstapel rückzugewinnen.
-
Ein feuchter Betrieb, d. h. ein Betrieb mit einem hohen Betrag an Befeuchtung, ist zur Systembefeuchtung, zur Leistungsfähigkeit wie auch Schmutzstoffentfernung erwünscht. Jedoch existieren verschiedene Gründe, einen Brennstoffzellenstapel mit einer geringeren Menge an Befeuchtung zu betreiben, auch bekannt als trockene Bedingungen. Beispielsweise kann ein feuchter Betrieb zu Problemen der Brennstoffzellenstabilität aufgrund eines Wasseraufbaus führen und kann auch eine Anodenverarmung bewirken, was in Kohlenstoffkorrosion resultiert. Zusätzlich kann ein feuchter Betrieb bei Gefrierbedingungen aufgrund eines Gefrierens von flüssigem Wasser an verschiedenen Stellen in dem Brennstoffzellenstapel problematisch sein. Daher besteht ein Bedarf in der Technik nach Systemen, die in Bezug auf nicht feuchte Betriebsbedingungen optimiert worden sind.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren umfasst, dass auf Grundlage vorbestimmter Rekonditionierungsauslöser bestimmt wird, ob eine Rekonditionierung eines Brennstoffzellenstapels gewünscht ist, bestimmt wird, ob vorbestimmte Systembeschränkungen bzw. -auflagen erfüllt sind, die ermöglichen, dass eine Rekonditionierung des Brennstoffzellenstapels stattfinden kann, und bestimmt wird, ob vorhergehende Rekonditionierungsprozesse versucht worden sind, und wenn dies der Fall ist, ob während dieser Versuche vorbestimmte Rekonditionierungsgrenzen überschritten worden sind. Der Rekonditionierungs-Prozess wird eingeleitet, wenn ein oder mehrere der Rekonditionierungsauslöser aufgetreten sind, die vorbestimmten Systembeschränkungen erfüllt sind und die vorbestimmten Rekonditionierungsgrenzen nicht überschritten worden sind. Der Rekonditionierungsprozess erhöht das Befeuchtungsniveau einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels über das Feuchteniveau der Kathodenseite während normaler Betriebsbedingungen und wartet eine Sättigung der Zellenmembranen in dem Brennstoffzellenstapel ab, nachdem das Befeuchtungsniveau der Kathode erhöht ist.
-
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems;
-
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Entfernen von Oxidation und Schmutzstoffaufbau in einem Brennstoffzellenstapel durch einen Rekonditionierungsprozess zeigt;
-
3 ist ein Flussdiagramm, das verschiedene Kriterien zeigt, um in den Stapelrekonditionierungsprozess einzutreten;
-
4 ist ein Flussdiagramm, dass einen Prozess zur Überwachung einer Vorgehensweise zeigt, um zu bestimmen, wann der Rekonditionierungsprozess verlassen wird; und
-
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zeigt, um zu bestimmen, ob der Rekonditionierungsprozess erfolgreich war.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Rekonditionieren und Bewerten der Rekonditionierung eines Brennstoffzellenstapels, um eine Stapelspannung rückzugewinnen, gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
-
1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 nimmt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 16 auf einer Anodeneingangsleitung 18 auf und liefert ein Anodenabgas auf Leitung 20. Ein Kompressor 22 liefert eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 14 durch eine Wasserdampfübertragungs-(WVT-)Einheit 32, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Die WVT-Einheit 32 wird bei dieser Ausführungsform als ein nicht beschränkendes Beispiel verwendet, wobei andere Typen von Befeuchtungsvorrichtungen zur Befeuchtung der Kathodeneinlassluft anwendbar sind, wie Enthalpieräder, Verdampfer, etc. ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 26 ausgegeben. Die Abgasleitung 26 lenkt das Kathodenabgas an die WVT-Einheit 32, um die Feuchte zur Befeuchtung der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Eine Bypassleitung 30 ist um die WVT-Einheit 32 herum vorgesehen, um einen Teil oder das gesamte Kathodenabgas um die WVT-Einheit 32 in Übereinstimmung mit der Diskussion hier herum zu lenken.
-
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Bypassleitung ein Einlassbypass sein. Ein Bypassventil 34 ist in der Bypassleitung 30 vorgesehen und wird so gesteuert, dass das Kathodenabgas durch oder um die WVT-Einheit 32 selektiv umgelenkt wird, um den gewünschten Betrag an Feuchte für die Kathodeneingangsluft bereitzustellen.
-
Ein Controller 36 steuert, ob das Bypassventil 34 geöffnet oder geschlossen ist, und wie weit das Bypassventil 34 geöffnet ist. Durch Steuerung des Bypassventils 34 kann der Controller 36 bestimmen, wie viel Kathodenabgas durch die WVT-Einheit 32 gelenkt wird, und somit, wie viel Wasser von dem Kathodenabgas dazu verwendet wird, die Kathodeneingangsluft zu befeuchten.
-
Eine Kathodenauslassbefeuchtung ist eine Funktion von Stapelbetriebsbedingungen, einschließlich einer relativen Einlassfeuchte von Kathode und Anode, einer Kathoden- und Anodenstöchiometrie, Druck und Temperatur. Während der Rekonditionierung, wie nachfolgend beschrieben ist, ist es erwünscht, das Befeuchtungsniveau der Membranen zu erhöhen. Dies wird typischerweise durch Erhöhen der relativen Feuchte des Kathodenauslasses erreicht. Bei dieser Ausführungsform wird das Bypassventil 34 während der Stapelrekonditionierung gesteuert, um das Befeuchtungsniveau der Kathodeneinlassluft zu erhöhen. Die Sollwerte des Stapelbetriebszustandes werden dann manipuliert, um die relative Feuchte des Kathodenauslasses auf den Sollwert weiter anzuheben, wie es in der Technik bekannt ist. Beispiele umfassen eine Reduzierung der Stapeltemperatur oder eine Reduzierung der Kathodenstöchiometrie.
-
Der Brennstoffzellenstapel 12 kann relativ trocken betrieben werden, wie mit einer relativen Feuchte des Kathodeneinlasses und des Abgases, die kleiner als 100% ist. Ein derartiger trockener Stapelbetrieb über verlängerte Zeitperioden könnte zu dem Austrocknen der Komponenten in dem Stapel 12 führen, wie den Zellenmembranen sowie den MEA-Katalysatorschichten. Das Austrocknen des Stapels 12 ist unter Niedrigleistungsbetrieb wahrscheinlicher, wenn die durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte Menge an Wasser gering ist, ist jedoch unter hoher Leistung deutlicher. Zusätzlich führt der Betrieb unter geringer Leistung und hohen Zellenspannungen zu einer höheren Rate an Oxidbildung an dem Katalysator, insbesondere, wenn ein Edelmetallkatalysator verwendet wird.
-
Wie nachfolgend diskutiert ist, stellt die vorliegende Erfindung eine Stapelkonditionierung bereit, um Schmutzstoffe aus dem Inneren des Stapels 12 zu beseitigen, wie Sulphate und Chloride, die die Stapelleistung beeinträchtigen. Während der Stapelrekonditionierung wird der Brennstoffzellenstapel 12 unter feuchten Bedingungen bei halb regelmäßigen Intervallen betrieben. Durch relativ feuchten Betrieb des Stapels gehen verschiedene Ionen und andere Moleküle in dem Stapel 12 in Lösung und können durch eine Wasserströmung durch die Reaktandengasströmungskanäle besser ausgetrieben werden. Derartige feuchte Bedingungen können beispielsweise oberhalb einer relativen Feuchte von 110% bei hohen Stromdichten liegen, obwohl auch andere Prozentsätze der relativen Feuchte verwendet werden können. Das Brennstoffzellensystem wird abgeschaltet, während diese feuchten Bedingungen aufrechterhalten werden. Unmittelbar nach Abschaltung des Brennstoffzellensystems 10 wird der kathodenseitige Katalysator mit Wasserstoff und einem Gemisch anderer Gase, wie Stickstoff und Wasserdampf, bedeckt. Diese Vorgehensweise ist nachfolgend detaillierter beschrieben.
-
2 ist ein Flussdiagramm 40, das Schritte zum Rekonditionieren des Brennstoffzellenstapels 12 zeigt, wodurch eine Rückgewinnung der Spannung des Brennstoffzellenstapels 12 ermöglicht wird. Ein Systemstart ist der erste Schritt bei Kasten 42. An der Entscheidungsraute 44 bestimmt der Controller 36, ob eine Rekonditionierung des Brennstoffzellenstapels 12 notwendig ist. Mit der vorliegenden Erfindung ist jeder geeignete Algorithmus oder jede geeignete Vorrichtung vorstellbar, der/die die Beeinträchtigung von Stapelschmutzstoffen detektieren kann, die eine Stapelrekonditionierung erfordern können, wie geringe Spannungen, geringe Feuchteniveaus, geringe Stapelleistung, etc. Wenn der Controller 36 an der Entscheidungsraute 44 bestimmt, dass keine Rekonditionierung des Brennstoffzellenstapels 12 notwendig ist, aktiviert der Controller 36 dann nicht die Rekonditionierungsvorgehensweise und das Brennstoffzellensystem 10 arbeitet bei Kasten 46 unter normalen Betriebsbedingungen.
-
Wenn jedoch der Controller 36 an der Entscheidungsraute 44 bestimmt, dass eine Rekonditionierung des Brennstoffzellenstapels 12 notwendig ist, dann wird die Vorgehensweise zur Rekonditionierung des Stapels 12 eingeleitet. Die Steuerungen und Kalibrierungen, die zur Ausführung der Rekonditionierungsvorgehensweise notwendig sind, sind in der Software des Controllers 36 eingebettet. Der Controller 36 modifiziert bei Kasten 48 die Betriebsbedingungen so, dass das Kathodenabgas auf der Leitung 26 unter feuchteren Bedingungen betrieben wird, als unter normalen Betriebsbedingungen stattfinden würde. Ein Beispiel derartiger feuchter Bedingungen ist eine relative Feuchte des Kathodenabgases auf der Leitung 26, die abhängig von den Geschwindigkeiten der Anoden- und Kathodengase bei einer relativen Feuchte über 100% liegt. Wenn die Gasgeschwindigkeit gering ist, kann die normale relative Auslassfeuchte auf der. Leitung 26 beibehalten werden. Jedoch sei dem Fachmann angemerkt, dass feuchte Bedingungen, die eine andere relative Auslassfeuchte darstellen, sowie abweichende Gasgeschwindigkeiten verwendet werden können.
-
Als Nächstes wartet der Controller 36 bei Kasten 50 auf eine Sättigung der Zellen-MEAs auf das gewünschte Niveau der relativen Feuchte. Eine Flutung des Brennstoffzellenstapels mit flüssigem Wasser während der Sättigung bei Kasten 50 auf entweder der Anoden- oder der Kathodenseite kann durch aktives Steuern von Ablass-, Ablauf- und anderen Systemventilen reguliert werden oder kann durch Erhöhen der Kathodenstöchiometrie reguliert werden. Ein Beispiel zum Vermeiden eines Flutens des Stapels besteht darin, den Stapel bei einer höheren Stromdichte zu betreiben, wodurch höhere Kathoden- und Anodengeschwindigkeiten verwendet werden. Jedoch erkennt der Fachmann, dass andere Wege, um ein Fluten zu verhindern, existieren.
-
Beispielsweise kann die Zeitdauer, die notwendig ist, um die Zellen-MEAs auf das gewünschte Feuchteniveau zu sättigen, eine Zeitdauer oberhalb 20 Minuten bei einer Stapelstromdichte im Bereich von 0,4–1 A/cm2 sein. Geringere Stromdichten können ebenfalls effektiv sein; jedoch können sie längere Laufzeiten erfordern, als diejenigen bei hoher Stromdichte. Der Fachmann erkennt leicht, dass eine andere Zeitdauer und ein anderer Stromdichtebereich das gewünschte Sättigungsniveau erreichen. Somit ist dieses Beispiel nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
-
Sobald die Zellen-MEAs bei dem Kasten 50 auf das gewünschte Feuchteniveau gesättigt sind, leitet der Controller 36 bei Kasten 52 eine Kathodenreduktion bei Systemabschaltung ein. Eine Kathodenreduktion erfordert, dass Wasserstoff dazu verwendet wird, die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zu übernehmen und zu bedecken. Während dieser Vorgehensweise werden keine Austrocknungsspülungen, denen das System normalerweise bei Abschaltung ausgesetzt wäre, verwendet. Durch Beibehaltung von überschüssigem Wasserstoff in der Anodenseite des Stapels 12 bei Systemabschaltung kann der Wasserstoff die Membrane mittels Permeation zu der Kathodenseite, durch Direktinjektion oder eine Kombination daraus durchqueren, um verfügbaren Sauerstoff zu verbrauchen. Durch Verbrauch von Sauerstoff an der Kathodenseite des Stapels 12 unter Verwendung von Wasserstoff werden verschiedene Schmutzstoffe in der Kathodenseite reduziert, wie diejenigen, die an Platinstellen in dem Kathodenkatalysator angebunden sind. Es ist wichtig, das Anlegen von Lasten an den Stapel 12 zu unterlassen, das den Sauerstoffverbrauch während dieses Schritts der Vorgehensweise beschleunigen würde. Somit umfasst der soweit beschriebene Prozess zunächst ein Sättigen der MEAs in den Brennstoffzellen in dem Stapel 12 durch Befeuchtung der Kathodeneinlassluft über normale Feuchteniveaus und dann die Beibehaltung dieses Sättigungsniveaus bis zur Systemabschaltung, bei der Wasserstoff in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 unter Bedingungen ohne Last eingeführt wird, um Sauerstoff auf der Kathodenseite zu verbrauchen. Selbstverständlich existieren Beschränkungen dahingehend, wie feucht der Brennstoffzellenstapel 12 nach Systemabschaltung unter bestimmten Betriebsbedingungen, wie Gefrierbedingungen, sein darf.
-
Nachdem die Kathodenseite bei dem Kasten 52 ausreichend mit Wasserstoff bedeckt worden ist, wartet der Controller 36 bei Kasten 54 eine Zeitdauer ab, um eine Schmutzstoffentfernung zuzulassen. Beispielhaft und in keiner Weise dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken, könnte die Zeitdauer, die zur Schmutzstoffentfernung zulässig ist, zwanzig Minuten betragen. Eine zusätzliche Einwirkzeit kann nützlich sein, da mehr Wasserdampf kondensiert, wenn das System abkühlt, was dann zur Entfernung eines größeren Anteils der Schmutzstoffe nützlich ist. Wenn die erforderliche Zeitdauer bei Kasten 56 vor einem Systemstart nicht erfüllt wird, kann der Vorteil nicht vollständig realisiert werden, und es kann notwendig sein, die Vorgehensweise zu wiederholen. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 bei Kasten 56 nach einer erfolgreichen Rekonditionierung neu gestartet wird, sollte es unter seinen normalen Betriebsbedingungen funktionieren. In dem Fall einer nicht erfolgreichen Rekonditionierung unternimmt der Controller geeignete Schritte, wie hier beschrieben ist.
-
Die obige Vorgehensweise steigert die Fähigkeit der Brennstoffzellen-MEAs zur Reaktion des Brennstoffs und Oxidationsmittels, da (1) der höhere Anteil von flüssigem Wasser ein Auswaschen der löslichen Schmutzstoffe ermöglicht, (2) das höhere Niveau an Membranelektrodensättigung die Protonenleitfähigkeit der Membran und der Elektrode steigert, (3) die Reduzierung der Spannung unter feuchten Bedingungen zu der Reduzierung in der Oberflächenbedeckung von Sulfat-(HSO – / 4 )-artigen vergiftenden Arten führt, die dann während des nachfolgenden Betriebs ausgewaschen werden, und (4) die Reduzierung von Oberflächenoxiden, wie Platinoxid (PtO) und Platinhydroxid (PtOH), was mehr der Edelmetallstellen freilegt.
-
Somit sieht der Prozess zur Rekonditionierung des Brennstoffzellenstapels 12 eine Erhöhung der Zellenspannungsleistung durch Reduzierung von Spannungsverlusten in Verbindung mit Membranwiderstand und Katalysatorschichtleistungsfähigkeit vor. Tests haben gezeigt, dass dieser Vorteil in der Größe von 50 mV pro Zelle liegen kann. Diese Erhöhung kann für hunderte von Stunden anhalten und kann für ein ähnliches Niveau an Rückgewinnung wiederholt werden. Infolge dieser Erhöhung steigt die Stapellebensdauer, was in einer längeren Betriebslebensdauer für den Brennstoffzellenstapel 12 resultiert. Regelmäßige Intervalle dieser Vorgehensweise resultieren in einem höheren Niveau an maximaler Leistungsfähigkeit und einem größeren Systemwirkungsgrad. Diese Vorgehensweise kann auch dazu dienen, jede Vorrichtung zur Rückbefeuchtung von Kathodenwasser, wie die WVT-Einheit 32, rückzubefeuchten.
-
Eine detailliertere Diskussion des Eintritts, Austritts und der Bestimmung, ob die Rekonditionierung erfolgreich war, ist nachfolgend diskutiert und ist für einen Rekonditionierungsprozess anwendbar, der ausgeführt wird, wenn sich das Fahrzeug in Betrieb befindet, anstatt für einen Rekonditionierungsprozess, der an einem Wartungscenter ausgeführt wird. Insbesondere umfassen, wie nachfolgend diskutiert ist, die Algorithmen zum Betrieb des Rekonditionierungsprozesses einen Algorithmus, um den Rekonditionierungsprozess einzuleiten, einen Algorithmus, um das System und den Fahrzeugbediener vor nachteiligen Seiteneffekten aus den modifizierten Bedingungen, die durch den Rekonditionierungsprozess bewirkt werden, zu schützen, einen Algorithmus, um zu bestimmen, ob das System ausreichend befeuchtet ist, einen Algorithmus, um zu bestimmen, welcher Typ von Abschaltung ausgeführt werden soll, und einen Algorithmus, um zu bestimmen, ob der Rekonditionierungsprozess erfolgreich war.
-
Der Rekonditionierungsprozess verwendet modifizierte Betriebsbedingungen, die nicht für einen normalen Betrieb optimiert sind. Daher ist es erwünscht, den Rekonditionierungsprozess nur periodisch auszuführen. Dies kann auf Kalenderzeit, Belastungszeit, Fahrzeugfahrten, Spannungsdegradation, etc. basieren. Jeder Algorithmus, der oben bezeichnet ist, besitzt Vorteile und Nachteile, jedoch ist es wichtig, den Rekonditionierungsprozess periodisch auszuführen, um Auswirkungen des Gesamtwirkungsgrades, der Leistung und/oder der Haltbarkeit zu maximieren, die aus der Rekonditionierung resultieren können. Ferner ist es notwendig, das System von nachteiligen Seiteneffekten von den modifizierten Bedingungen zu schützen. Der Nassbetrieb, der während des Rekonditionierungsprozesses zulässig ist, kann zu einer Anodenverarmung führen. Diesem wird durch eine aggressive Ablassstrategie entgegengewirkt. Wenn jedoch die Verarmung detektiert wird, kann der Algorithmus abgebrochen und ein Normalbetrieb wiederaufgenommen werden. Der Nassbetrieb hat für das System auch die Gefahr in Bezug auf Schwierigkeiten bei Gefrierereignissen. Daher wird der Rekonditionierungsprozess nicht ausgeführt oder wird abgebrochen, wenn eine Gefahr für ein Gefrierereignis detektiert ist.
-
Zusätzlich kann der Nassbetrieb die Fahrzeugleistungsfähigkeit aufgrund von Leistungsbeschränkungen bei aggressiven Lastprofilen beeinträchtigen. Wenn die Leistungsfähigkeit beschränkt ist, kann der Rekonditionierungsprozess abgebrochen und zu normalen Betriebsbedingungen und -leistung zurückgekehrt werden. Eine kritische Komponente des Rekonditionierungsprozesses besteht darin, den Stapel 12 ausreichend zu befeuchten. Damit die Befeuchtung konsistent während des Kundengebrauchs stattfindet, müssen die Betriebsbedingungen so modifiziert sein, dass diese Befeuchtung unter üblichen Lastprofilen, wie dem EPA-Stadtzyklus, stattfindet. Es ist auch wichtig, dass das System Kenntnis darüber besitzt, wann es ein ausreichendes Niveau an Befeuchtung erreicht hat. Dies kann unter Verwendung eines Wasserpuffermodels (WBM) durchgeführt werden, um die Menge an Wasser, die in der Membran und den Diffusionsmedien des Stapels 12 vorhanden ist, zu schätzen. Wie oben beschrieben ist, ist es erwünscht, eine Kathodenreduktionsabschaltung durchzuführen, nachdem die MEA ausreichend feucht ist. Wenn der Fahrer eine Abschaltung einleitet, kann eine Logik unter Verwendung der vorher beschriebenen WBM-Kriterien vorhanden sein, um zu bestimmen, welcher Typ von Abschaltung ausgeführt wird. Wenn bestimmt wird, dass die MEAs ausreichend befeuchtet sind, kann eine Kathodenreduktionsabschaltung ausgeführt werden. Wenn der vorhergehende Lauf die MEAs nicht ausreichend befeuchtet, kann eine normale Abschaltvorgehensweise eingeleitet werden. Dies ist wichtig, da die Kathodenreduktionsabschaltung in einigen positiven Leistungsverstärkungen resultiert und keine anderen gewünschten Funktionen ausführt, wie ein Spülen für Gefrieren.
-
Schließlich ist es notwendig, zu bestimmen, ob alle der Bedingungen der Abschaltung erfüllt worden sind. Wenn das System ausreichend befeuchtet worden ist, eine richtige Kathodenreduktionsabschaltung ausgeführt worden ist und eine ausreichende Zeitdauer durchwirkt worden ist, sind alle Kriterien, die oben diskutiert sind, erfüllt worden, und der Rekonditionierungsprozess ist ein Erfolg. Wenn nicht, wird der Rekonditionierungsprozess erneut versucht, bis er entweder erfolgreich ist oder er eine vorbestimmte Anzahl von Versuchen überschreitet.
-
3 ist ein Flussdiagramm 60, das einige der oben diskutierten Algorithmen umfasst, einschließlich, wann in den Rekonditionierungsprozess eingetreten wird und wann bestimmte Systembeschränkungen den Rekonditionierungsprozess verhindern. Das Flussdiagramm 60 zeigt eine Anzahl möglicher Rekonditionierungsalgorithmusereignisauslöser, einschließlich der Anzahl von Fahrten seit dem letzten Rekonditionierungsprozess, bei Kasten 62. Der Algorithmus kann einen Rekonditionierungsereignisauslöser, wenn das Fahrzeug eine bestimmte Anzahl von Zeiten bzw. Häufigkeit gefahren worden ist, auf Grundlage von experimentellen Daten setzen, wie, wann eine Rekonditionierung am nützlichsten ist. Ferner ist ein anderer möglicher Auslöser die Zeit seit dem letzten Rekonditionierungsprozess bei Kasten 64. Ungeachtet der Anzahl von Zeiten, die das Fahrzeug gefahren worden ist, kann es erwünscht sein, den Rekonditionierungsprozess auf Grundlage der Zeit allein auszuführen. Der Rekonditionierungsprozess kann auch auf Grundlage einer Leistungsfähigkeit bei Kasten 66 eingeleitet werden, wo die Stapelpolarisierungskurve oder andere Stapelinformation, wie Zellenspannung, überwacht werden kann, um zu bestimmen, wann eine Rekonditionierung aufgrund geringer Stapelleistung erforderlich sein kann. Ferner können komplexe Algorithmen bei Kasten 68 dazu verwendet werden, um verschiedene Brennstoffzellensystem- und Stapelbedingungen zu überwachen, wie Niedrigspannungsbedingungen, Austrocknungsbedingungen der Stapelmembran, Hochfrequenzwiderstands-(HFR)-Bedingungen von Brennstoffzellen, etc., um zu bestimmen, wann der Rekonditionierungsprozess erwünscht ist. Auch kann eine andere geeignete Methode bei Kasten 70 zum Eintritt in den Rekonditionierungsprozess überwacht werden. Wenn jeder dieser Auslöser stattfindet, dann kann der Algorithmus bei Kasten 72 einen Flag für erforderliche Rekonditionierung setzen.
-
Da der Rekonditionierungsprozess für einen optimierten Systembetrieb nicht ideal sein braucht, können bestimmte Schwellen und Grenzen eingeschlossen werden, um den Rekonditionierungsprozess zu verhindern, wenn er eingeleitet wird, wenn bestimmte Bedingungen stattgefunden haben. Dies ist durch Kasten 74 gezeigt, der entscheidet, ob die Anzahl vorhergehender Rekonditionierungsversuche eine vorbestimmte Schwelle überschritten hat. Mit anderen Worten, wenn in der jüngsten Vergangenheit zu viele Rekonditionierungsversuche stattgefunden haben, kann es sein, dass es nicht erwünscht ist, den Versuch zur Rekonditionierung des Stapels 12 fortzusetzen, wenn diese Schwelle erfüllt worden ist. Auch bestimmt der Algorithmus bei Kasten 76, ob jüngste Rekonditionierungsversuche effektiv waren. Ferner bestimmt der Algorithmus die Anzahl vorhergehender Rekonditionierungsprozesse bei Kasten 78, die durchgefallen sind, und wenn diese Anzahl eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, kann der Rekonditionierungsprozess verhindert werden. Wenn bei den Kästen 74, 76 und 78 eine der Grenzen überschritten worden ist, kann der Algorithmus dann ein Stattfinden des Rekonditionierungsprozesses bei Kasten 80, der an der Entscheidungsraute 72 eingeleitet werden kann, verhindern.
-
Wie auch oben diskutiert ist, müssen verschiedene Systembedingungen überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Rekonditionierungsprozess für das System oder den Anwender nicht nachteilig ist. Für diesen Betrieb werden bei Kasten 82 verschiedene Systemprüfungen überwacht, wie bei Kasten 84 gemischte Systembeschränkungen. Beispielsweise kann der Algorithmus bestimmen, dass der Brennstoffpegel zu niedrig ist, als dass ein Rekonditionierungsprozess ausgeführt werden kann. Ferner bestimmt der Algorithmus bei Kasten 86, ob die Stapelstabilität gewisse minimale Stabilitätskriterien erfüllt. Wenn die Stapelstabilität in Folge verschiedener Bedingungen, wie einer Strömungskanalflutung, einer minimalen Zellenspannung, etc., stattfindet, kann es sein, dass es nicht erwünscht ist, den Rekonditionierungsprozess auszuführen. Ferner kann es, da der Rekonditionierungsprozess den Stapel 12 mit hohen Feuchteniveaus betreibt, aufgrund von Gefrierbedingungen bei Kasten 88 in Folge von Umgebungsbedingungen, sein, dass es nicht erwünscht ist, den Rekonditionierungsprozess zu betreiben. Ferner kann die tatsächliche Stapeltemperatur, die durch das Stapelkühlfluid bereitgestellt wird, bei Kasten 90 unterhalb einer minimalen Temperaturschwelle liegen, bei der eine Rekonditionierung nicht erwünscht ist, was einen zu feuchten Betrieb der Stapelmembranen bewirken kann. Eine andere Systemprüfung hat mit der Überwachung des Betriebs verschiedener Sensoren zu tun, die bestimmen, ob der Rekonditionierungsprozess ausgeführt werden soll oder effektiv ausgeführt wurde, was hier bei Kasten 92 als ein nicht einschränkender Ausgleich von Anlagenproblemen bzw. -belangen (engl.: ”no constraining balance of plant issues”) dargestellt ist.
-
Wenn bei dem Kasten 72 ein Rekonditionierungsprozess eingeleitet wird und bei dem Kasten 82 alle Systemprüfungen erfüllt sind und bei dem Kasten 80 keine Rekonditionierungsgrenzen oder -schwellen überschritten worden sind, wird bei Kasten 94 der Rekonditionierungsprozess ausgeführt. Abhängig von den Charakteristiken eines gegebenen Systems kann diese Liste notwendiger Beschränkungen bzw. Bedingungen erweitert oder reduziert werden.
-
Wenn bei dem Kasten 94 ein Rekonditionierungsprozess fortschreitet, werden verschiedene Systembedingungen und -kriterien während des Rekonditionierungsprozesses überwacht, um zu bestimmen, ob er abgebrochen werden sollte, da er einen zu großen Einfluss auf die Systemleistungsfähigkeit, Sicherheit, Schaden, etc. besitzt. 4 ist ein Flussdiagramm 100, das diese Ereignisse diskutiert, die zu einer Beendigung der Rekonditionierungsvorgehensweise führen können, wenn diese stattfindet. Die Kriterien umfassen dieselben Basiskriterien für die Systemprüfungen bei den Kästen 84, 86, 88, 90 und 92, können jedoch andere Schwellen und Niveaus zum Abbrechen des Rekonditionierungsprozesses besitzen. Insbesondere bestimmt Kasten 102 gemischte Systembeschränkungen, wie Brennstoffpegel, Kasten 104 bestimmt, ob die Stapelstabilität unter ein minimales Kriterium fällt, Kasten 106 bestimmt, ob Gefrierschutzbeschränkungen nicht erfüllt sind, Kasten 108 bestimmt, ob der Stapel unter eine minimale Temperaturschwelle fällt, und Kasten 110 bestimmt, ob ein einschränkender Ausgleich von Anlagenproblemen stattgefunden hat. Ferner bestimmt Kasten 112, ob ein Versagen vorhanden ist, minimale Hydratationskriterien vor Abschaltung für den Teil des Rekonditionierungsprozesse s, der die Abschaltvorgehensweise aufweist, zu erfüllen. Wenn eine der Schwellen oder Niveaus bei den Kästen 102, 104, 106, 108, 110 und 112 überschritten wird, dann setzt der Algorithmus bei Kasten 114 die Rekonditionierung nicht fort und kehrt bis zur Abschaltung zu einem Normalbetrieb zurück.
-
5 ist ein Flussdiagramm 120, das einen Prozess zur Bestimmung zeigt, ob ein Rekonditionierungsprozess erfolgreich war, der durch die Analyse bei dem Kasten 80 verwendet werden kann. An der Entscheidungsraute 122 bestimmt der Algorithmus, ob der Stapel 12 vor Abschalten ausreichend befeuchtet war, und wenn nicht, wird der Rekonditionierungsprozess bei Kasten 124 als ein Versagen gezählt. Es kann jede geeignete Technik verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Stapel 12 ausreichend befeuchtet war, wie Modelle, Sensoren, Schätzungen, etc. Wenn der Stapel 12 vor dem Abschalten an der Entscheidungsraute 122 ausreichend befeuchtet war, bestimmt der Algorithmus dann an der Entscheidungsraute 126, ob der Reduktionsschritt richtig ausgeführt wird, und wenn nicht, wird der Rekonditionierungsprozess bei dem Kasten 124 als ein Versagen gezählt. Wenn der Reduktionsschritt an der Entscheidungsraute 126 richtig ausgeführt wurde, bestimmt der Algorithmus dann, ob das System die richtige Zeitdauer nach Abschaltung von dem Rekonditionierungsprozess an der Entscheidungsraute 128 abgeschaltet geblieben ist, und wenn nicht, wird der Rekonditionierungsprozess bei dem Kasten 124 als ein Versagen bzw. Ausfall gezählt. Wenn das System die richtige Zeitdauer an der Entscheidungsraute 128 abgeschaltet geblieben ist, bestimmt der Algorithmus an der Entscheidungsraute 130, ob irgendwelche Abbruchanweisungen während des Rekonditionierungsprozesses vorhanden sind, und wenn dies der Fall ist, wird die Rekonditionierungsvorgehensweise bei dem Kasten 124 als ein Versagen gezählt. Ansonsten wird, wenn der Rekonditionierungsprozess alle Anforderungen erfüllt, dieser als Erfolg bei Kasten 132 gezählt.
-
Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
