(12) Oversettelse av europeisk patentskrift (11) NO/EP 24 B1 (19) NO NORGE (1) Int Cl. H01M 16/00 (06.01) H01M 8/04 (06.01) H01M 8/ (06.01) Patentstyret (21) Oversettelse publisert 14.02.24 (80) Dato for Den Europeiske Patentmyndighets publisering av det meddelte patentet 13..09 (86) Europeisk søknadsnr 091747.0 (86) Europeisk innleveringsdag 09.11. (87) Den europeiske søknadens Publiseringsdato 11.0.11 (84) Utpekte stater AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR (73) Innehaver Belenos Clean Power Holding AG, Seevorstadt 6, 2 Bienne, CH-Sveits (72) Oppfinner Bernard, Jérôme, Stockmattstrasse 71, 400 Baden, CH-Sveits Hofer, Marcel, Wiesenweg 1, 612 Villmergen, CH-Sveits Buechi, Félix, Feldstr. 1, 4900 Langenthal, CH-Sveits Dietrich, Philipp, Im Tal 170, Unterendingen, CH-Sveits (74) Fullmektig Tandbergs Patentkontor AS, Postboks 170 Vika, 0118 OSLO, Norge (4) Benevnelse Fremgangsmåte for drift av en brenselcelle/batteri passiv hybrid strømforsyning (6) Anførte publikasjoner US-A1-02 034 669 US-A1-03 022 043 US-A1-03 044 68
1 Beskrive OPPFINNELSENS OMRÅDE [0001] Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å begrense utgangsspenningen for en brenselcelle / batteri passiv hybrid strømforsyning som arbeider i eller nær null belastning, på en måte for både ikke å overskride den øvre spenningsgrense av batteriet, og uten at det er nødvendig og å stoppe brenselcellen eller for å koble den fra batteriet. Oppfinnelsen angår mer spesielt en fremgangsmåte der brenselcellene i strømforsyningen er av en type som er utformet for å bruke hydrogen som brensel og rent oksygen som oksidasjonsmiddel. BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN 1 2 3 40 [0002] Elektrokjemiske brenselceller av den ovennevnte type konverterer reaktanter, nemlig en flyt av hydrogen, og en flyt av oksygen, til elektrisk strøm og vann. brenselceller med protonutvekslingsmembran («Proton Exchange Membrane Fuel Cell» - PEMFC) omfatter generelt en fast polymer elektrolyttmembran som er anordnet mellom to porøse strømledende elektrodelag slik at det dannes en membran-elektrode sammenstilling («Membrame Electrode Assembly» - MEA). For å indusere den ønskede elektrokjemiske reaksjon, omfatter anode-elektroden og katode-elektroden hver én eller flere katalysatorer. Disse katalysatorene er vanligvis anordnet ved membran / elektrode grenseflaten. [0003] Ved anoden beveger hydrogen seg gjennom det porøse elektrodelag og oksyderes av katalysatoren for å produsere protoner og elektroner. Protonene migrerer gjennom den faste polymere elektrolytt mot katoden. Oksygen, for sin del, beveger seg gjennom den porøse katode og reagerer med protoner som kommer gjennom membranen ved katoden elektro-. Elektronene går fra anoden til katoden gjennom en ekstern krets, og produserer en elektrisk strøm. [0004] Figur 1 illustrerer, i en eksplodert visning, en protonutvekslingsmembran i en brenselcellestakk fra kjent teknikk Stakken omfatter et par endeplateelementer 1, og en flerhet av brenselcelleelementer 2. I dette spesielle eksemplet, strekker elektrisk isolerende strekkstenger seg mellom endeplateelementene 1, for å opprettholde og sikre stakken i sin monterte tilstand med festemutre 32. Fjærene 34 gjenget på strekkstengene plassert mellom festemutterne 32 og endeplaten påfører fjærende trykkraft på stakken i den langsgående retning. Reaktant og kjølevæskestrømmer leveres til, og utstøtes fra, interne manifolder og passasjer i stakken via innløps- og utløpsportene (ikke vist) i endeplaten 1. [000] Hver brenselcelleenhet 2 omfatter en anode flytfeltplate 3, en katode flytfeltplate 40 og en MEA 4 innskutt mellom platene 3 og 40. Anodens og katodens flytfeltplater 3 og 40 er laget av et elektrisk ledende materiale og virker som flytsamlere. Siden anodens flytfeltplate til en celle ligger rygg mot rygg med katodens flytfeltplate til nabocellen, kan strøm flyte fra den ene celle til den annen og således
2 gjennom hele stakken. Andre tidligere kjente brenselcellestakker er kjent der de enkelte celler er atskilt av én bipolar flytfeltplate i stedet for av separate anode- og katode-flytfeltplater. 1 2 3 40 4 [0006] Flytfeltplatene 3 og 40 tilveiebringer videre en fluidbarriere mellom tilstøtende brenselcelleelementer for å hindre at reaktantfluid tilført til anoden til en celle forurenser reaktantfluid tilført til katoden i en annen celle. På grenseflaten mellom MEA 4 og platene 3 og 40, leder fluidflytfeltet 0 reaktantfluidet til elektrodene. Fluidflytfeltet 0 omfatter typisk en flerhet av fluidflytkanaler dannet i de store flatene i platene 3 og 40 som vender mot MEA 4. Et formål med fluidflytfeltet0 er å fordele reaktantfluid til hele overflaten av de respektive elektroder, nemlig anoden på hydrogensiden og katoden på oksygensiden. [0007] Et kjent problem med PEMFC er den progressive nedbrytning av ytelse over tid. Egentlig har langvarig drift av faste polymere brenselceller blitt påvist, men bare under forholdsvis ideelle forhold. I kontrast, når brenselcellen må operere i et bredt spekter av tilstander, som tilfellet er for bilindustrien spesielt, har de stadig skiftende forhold (ofte modellert som lastsykluser og start-stopp-sykluser), vist seg å redusere holdbarhet og levetid drastisk. [0008] Forskjellige typer av ikke-ideelle forhold er blitt identifisert i litteraturen. En første av disse betingelsene er referert til som "høy cellespenning", det er kjent at å utsette en brenselcelle for lave eller null strømforhold, fører til høyere nedbrytningshastigheter i forhold til drift med en gjennomsnittlig konstant strøm. En andre ikke-ideelle tilstand er "lav cellespenning", det er videre kjent at det å nå en toppstrøm til brenselcellen også fører til økte nedbrytningshastigheter. Det følger av det ovenstående at for å bevare levetiden for en brenselcelle, er det å foretrekke å unngå driftstilstander med både "høy cellespenning" og "lav cellespenning". I tilfelle av kjente typer av PEMFC, bør en rimelig øvre sikkerhetsgrense for å sikre mot at det oppstår høy cellespenning settes ikke høyere enn 0,90 volt, fortrinnsvis ikke høyere enn 0,8 volt, og en nedre grense for å sikre mot lav cellespenning bør settes ikke lavere enn 0,6 volt, helst ikke lavere enn 0,70 volt. Med andre ord bør brenselcellen drives bare i begrenset spenningsområde mellom 0,6 og 0,90 volt, fortrinnsvis mellom 0,70 og 0,8 volt. [0009] Bilindustrien er preget av spesielt brå endringer av belastningseffekt. Av denne grunn er strømforsyninger utformet for bilindustrien som generelt omfatter en energiakkumulator, slik som et elektrokjemisk batteri eller en super kondensator, forbundet med brenselcellesystemet. I denne type strømtilførsel (heretter kalt en brenselcelle / batteri hybrid strømforsyning) kan batteriet fungere som en buffer: tilførsel av elektrisk effekt når det er en topp i belastningen, og omvendt, for lagring av overskytende strøm i tilfelle av lav eller null belastning. [00] Figurene 2A og 2B er to blokkdiagrammer som viser henholdsvis en aktiv og en passiv hybrid strømforsyning. I en brenselcelle / batteri aktive hybrid strømforsyning, er brenselcellesystemene koblet til belastningskretsen gjennom en DC / DC-omformer, og at batteriet er koblet til lastkretsen parallelt med DC / DC-omformer, som vist i figur
3 1 2A. Ved å kontrollere forsterkningen av DC / DC omformeren, er det mulig aktivt å justere effektfordeling innenfor den hybride strømforsyning. En brenselcelle / batteri passiv hybrid strømforsyning er enklere. Brenselcellesystemet og batteriet er elektrisk forbundet direkte i parallell, som illustrert i figur 2B. Ulempen er at mange operative variabler i strømforsyningen er ukontrollerte. Spesielt er den gjeldende delingen mellom brenselcellesystemet og batteriet pålagt av den indre impedans i hver enhet. Videre, siden batteriet og brenselcellen forbindes direkte, er deres spenninger alltid den samme. [0011] I prinsippet kan man ved bruk av en brenselcelle / batteri hybrid strømforsyning drifte brenselceller i et ønsket begrenset spenningsområde. Imidlertid, når batteriet er helt oppladet, er det åpenbart ikke lenger tilgjengelig for lagring av overskytende strøm levert av brenselcellene. Kjente løsninger på dette siste problem er, frakopling av brenselcellestakken (særlig i tilfelle av en passiv hybrid), innstilling av forsterkningen til DC / DC-omformeren praktisk talt til null (i tilfelle av en aktiv hybrid), eller å stenge ned brenselceller inntil ladenivået på batteriet når en nedre terskel. Start-stoppsykluser bidrar imidlertid også til nedbrytning av ytelsen til brenselcellesystemet, mens frakopling av brenselcellesystemet uten å stenge ned krever bruk av en resistiv last for å spre energien som produseres av stakken. Dette utgjør en betydelig sløsing av energi. US 02/0034669 beskriver et apparat og en fremgangsmåte for å styre tilførsel av reaktantgassene til en brenselcelle. SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN 2 3 40 4 [0012] Det er følgelig et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte for å begrense utgangsspenningen for en brenselcelle / batteri passive hybrid strømforsyning som arbeider i eller nær null belastning, til et ønsket begrenset spenningsområde tilstrekkelig for batteriet samt som for brenselcellesystemet, uten å måtte koble fra, eller stenge ned og starte brenselcellesystemet. [0013] Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er definert av det vedlagte krav 1. [0014] I henhold til foreliggende oppfinnelse, er det mulig ved å begrense hydrogen og oksygen strømmer som tilføres brenselcellen, mens aktivering av en hydrogen- og oksygen-resirkuleringspumpe å holde utgangsspenningen under en forutbestemt maksimalgrense. Ifølge oppfinnelsen, er den maksimale grensen den laveste av de maksimale spenningsgrenser for batteriet eller den maksimale grense for spenningen til brenselcellesystemene (0,90 volt / celle). [001] En fordel ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse er at den tillater justering av effektfordelingen i den passive hybride strømforsyning, uten behov for en variabel forsterkende DC / DC-omformer som den som brukes i aktive hybride strømforsyninger. Spesielt tillater fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen å opprettholde en lav utgangsspenning og en nær-null-belastning. Mer generelt kan fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å operere en brenselcelle / batteri passiv hybrid strømforsyning med den samme totale
4 effektivitet som for en dyrere, mer komplisert, tyngre og større aktiv hybrid strømforsyning. 1 [0016] Videre vil man forstå at i henhold til den foreliggende oppfinnelse, ved å opprettholde hydrogentrykket mellom 70 og 1 % av oksygentrykket, unngår fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen store trykkforskjeller over membranen for brenselcellene og, i det spesielle tilfellet med høyere hydrogentrykk, unngås drivstoffmangel ved anoden. [0017] Fortrinnsvis opprettholder fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen brennstoffcellespenningen i et område svarende til mellom 0,70 og 0,8 volt / celle. [0018] En annen fordel med fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse er at den tillater betjening av en hybrid strømforsyning i null netto utgang belastning selv når lagringen batteriet er helt ladet. Faktisk, ved å redusere trykket til minst én av reaktantene under 0,7 bar absolutt kan utgangseffekten til den hybride strømforsyningen bli redusert til ikke mer enn det som er nødvendig for å drive ekstrautstyret (den parasittiske belastning). KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE 2 3 [0019] Andre trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå ved å lese følgende beskrivelse, gitt utelukkende som et ikke-begrensende eksempel, og med referanse gjort til de medfølgende tegninger, der: Fig. 1 er et eksplodert riss av en konvensjonell brenselcellestakk (kjent teknikk); Fig. 2A og 2B er to blokkdiagrammer som viser henholdsvis en aktiv og en passiv hybrid strømforsyning på et konseptuelt nivå (kjent teknikk); Fig. 3 er et diagram som viser en spesiell utførelsesform av en brennstoffcelle / batteri passive hybrid strømforsyning omfattende en brenselcellestakk som forsynes med rent hydrogen og oksygen; Fig. 4 er et mer detaljert funksjonsskjema for den passive hybride strømforsyningen ifølge figur 3; Fig. A er et diagram som viser strøm / spenningskurver for en polymer elektrolytt brenselcelle ved forskjellige trykk; Fig. B er et diagram som viser maksimum- og minimum batterispenninger som en funksjon av ladetilstanden («State Of Charge» - SOC) til en akkumulator; Figur 6 er et diagram som generelt viser hvordan belastningen kan deles mellom brenselcellesystemet og akkumulatoren, og særlig hvor den passive hybride strømforsyningen gjør det mulig ikke å stenge ned brenselcellesystemet ved null tilkoblet last som driftsbetingelser selv om ingen energilagringskapasitet er tilgjengelig i batteriet. 40 DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN
1 2 3 40 4 [00] Brenselcellestakken 1 i den passive hybride strømforsyningen vist i figur 3 er av en type som er utformet for å bruke hydrogen som brensel og rent oksygen som oksidasjonsmiddel. Den omfatter endeplater 1, 140, en hydrogeninnløpsport i endeplaten 1 og en oksygeninnløpsport 1 i endeplate 140. Stakken 1 omfatter en hydrogentilførselsmanifold 160 og en oksygentilførselsmanifold 16 henholdsvis for tilførsel av en hydrogenstrøm og en oksygenstrøm til et flertall av individuelle brenselceller. [0021] Hydrogen- og oksygenflytfelt forbundet med hver brenselcelle er representert ved piler 170 og 17. En hydrogen-eksosmanifold 180 og en oksygeneksosmanifold 18 fjerner utarmet reaktant og reaksjonsproduktene fra stakken gjennom en hydrogenutløpsventil 190 og en oksygenutløpsåpning 19. [0022] Som illustrert, omfatter brenselcellesystemet en trykksatt hydrogenbeholder 60 koblet til hydrogeninnløpet til stakken ved hjelp av en tilførselsledning utstyrt med en hydrogentilførselsventil 1 og en ejektor pumpe 113. En hydrogentrykksensor 111 er anordnet på mateledningen nær hydrogeninnløpet, for å måle trykket av hydrogen tilført brenselcellestakken 1. En første hydrogenresirkuleringslinje 11 R forbinder utløpsventilen 190 til stakken til hydrogentilførselslinjen, nedstrøms for tilførselsventilen 1. Ejektorpumpen 113 sørger for resirkulering av hydrogenrester, og for å blande den med friskt hydrogen. [0023] På lignende måte omfatter brenselcellesystemet en trykksatt oksygenbeholder 6 koblet til oksygeninnløpet 1 til stakken ved hjelp av en oksygentilførselslinje utstyrt med en oksygenforsyningsventil 1 og en vakuumejektor pumpe 123. En oksygentrykksensor 121 er anordnet på tilførselslinjen nær oksygeninnløpet 1, for å måle trykket til oksygenet som tilføres brenselcellestakken 1. En oksygenresirkuleringslinje 12R forbinder utløpsventilene 19 til stakken til oksygentilførselslinjen, nedstrøms tilførselsventilen 1. Ejektorpumpen 123 (eller en hvilken som helst passende type vakuumpumpe) sørger for resirkulering og for å blande den brukte oksygen med friskt oksygen. [0024] Stakken til brenselcellesystemet som er vist i figur 3 omfatter videre et ekstra hydrogeninnløp 0 og et ekstra hydrogenutløp 2 koplet til hverandre ved hjelp av en andre hydrogenresirkulasjonslinje 211 R. Linjen 211 R er utstyrt med en ekstra hydrogenpumpe 213 tilveiebrakt for å supplere ejektorpumpen 113. Stakken 1 omfatter også et ekstra oksygeninnløp, et ekstra oksygenuttak 21 og en ekstra oksygenpumpe 223, arrangert på en annen oksygenresirkuleringslinje 212 R. Ekstrapumpen 223 er tilveiebrakt for å supplere ejektorpumpen 123. [002] Brenselcellesystemet som er vist i figur 3 omfatter videre fuktighetshåndteringsmidler (ikke vist). Siden vann dannes på katodesiden av brenselcellen ved kombinasjonen av hydrogen- og oksygen-ioner, må vannet trekkes bort fra katodesiden av brenselcellen. Spesielt for å unngå oversvømmelse, omfatter fuktighetshåndtering vanligvis omfatte en gass-væske separator anordnet på oksygenresirkuleringslinjen 12 R. En andre gass-væske separator er fortrinnsvis også
6 anordnet på hydrogenresirkuleringslinjen 11 R. Samtidig, må fuktighet gis til både anode og katodesiden av cellene i mengder som vil hindre at membranen uttørkes. 1 2 3 40 4 [0026] Som det videre sees på figur 3, er stakken 1 forbundet med et batteri 18 som er koblet i parallell for å danne en brenselscelle / batteri passive hybrid strømforsyning for å levere elektrisk energi til en lastkrets 17. Fortrinnsvis er lagringsbatteriet 18 et Li-Ion batteri. Imidlertid, i henhold til andre utførelsesformer av oppfinnelsen, kan hvilken som helst annen form for lagerbatteri kunne brukes. Med henvisning til figur 4, vil drift av den passive hybride strømforsyningen for det foreliggende eksempel bli forklart mer detaljert. Som i figur 3, viser brenselcellestakken til referansenummeret 1, nummer 18 viser til lagringsbatteriet, og tallet 17 viser til lastkretsen. [0027] Som allerede forklart, er brenselcellestakken del av et brenselcellesystem 14 som omfatter en oksygenkrets 2, en hydrogenkrets 4, og en avkjølingskrets 6. Brenselcellesystemet inkluderer også en brenselscelleregulator 8 som styrer oksygen-, hydrogen- og kjøle-kretser. Bortsett fra trykksensorene (ikke vist i figur 4) som allerede er beskrevet i forbindelse med figur 3, omfatter brenselcellesystemet en stakkstrømsensor 61, en stakktemperatursensor 62 og minst én brenselcellespenningssensor 64. Brenselcelleregulatoren 8 bruker data fra alle sensorer for å administrere operativsystemet til brenselcellesystemet. [0028] Fortsatt med henvisning til figur 4, viser nummer 66 til en bryter som brukes til å koble fra brenselcellesystemet 14 fra batteriet 18 og lastkretsen 17, nummer 67 er en batteristrømsensor, nummer 71 er en belastningsstrømsensor, og nummer 13 er batterispenningssensor som også er vist i figur 3. I henhold til den foreliggende oppfinnelse, er bryteren 66 bare ment å brukes under oppstart og nedstengning av brenselcellesystemet. Som tidligere nevnt, så lenge akkumulatoren 18 og brenselcellesystemet 14 er koblet sammen, er deres spenninger like. Derfor er stakkspenningen målt ved brenselcellespenningssensoren 64 og batterispenningen målt av batterispenningssensoren 13 alltid er den samme, så lenge bryteren 66 er lukket. [0029] Fortsatt med henvisning til figur 4, kan man se at lastkretsen 17 består av en elektrisk maskin 73 som er beregnet til å arbeide som en motor under faser med trekkraft og til å fungere som en generator under faser av regenerativ bremsing. Videre refererer nummer 7 til en motorstrømsensor, nummer 77 refererer til en motorspenningssensor, nummer 79 viser til en motorkontroller, og nummer 81 viser til en effektomformer. Avhengig av hvilken type elektrisk maskin som brukes, kan typen av omformer som benyttes til effektomformeren 81 variere. Hvis for eksempel motoren 73 er en likestrøms børsteløs motor styrt av pulsbreddemodulering, vil kraftomformeren 81 som en DC / DC-omformer levere en konstant utgangsspenning. I motsetning, hvis for eksempel den elektriske maskinen 73 er en synkron motor, vil kraftomformeren 81 være en DC / AC-omformer. Figur 4 viser også en effektkontroller 8 som styrer brenselcelleregulatoren 8, motorkontrolleren 79, så vel som bryteren 66. Effektkontrolleren 8 regulerer sirkulasjon av energi som en funksjon av posisjonen til en akseleratorpedal til et kjøretøy (ikke vist), og som en funksjon av forholdene som råder i kraftforsyningen.
7 1 2 3 40 4 [00] Brenselcellesystemet 14 blir styrt av brenselcelleregulatoren 8. Regulatoren 8 mottar informasjon fra hydrogentrykksensoren 111 (figur 3) og oksygentrykksensoren 121 (figur 3), så vel som fra brenselcellespenningssensoren 64. Ifølge det illustrerte eksempel måler brenselcellespenningssensoren utgangsspenningen fra brenselcellestakken 1 som helhet. Dermed utgjør den målte utgangsspenning summen av bidragene fra alle de individuelle brenselceller i stakken. Siden brenselcellene alle er utsatt for vesentlig de samme driftsbetingelser, produserer alle omtrent samme utgangsspenning. Derfor kan den målte utgangsspenning i stakken brukes til å beregne en estimert spenning for en enkelt brenselcelle. Imidlertid er det også mulig å måle utgangsspenningen til de enkelte cellene hver for seg, eller ellers å dividere de individuelle celler av stakken inn i flere grupper, som hver har en utgangsspenning. [0031] Brenselcellen regulatoren 8 (fig. 4) styrer trykket til både hydrogen og oksygen som leveres til brenselcellestakken ved å justere hydrogen- og oksygentilførselsventilene 1, 1 og, hvis nødvendig, ved direkte styring av driften av de ekstra resirkuleringspumpene 213, 223. Den prosess som gjør det mulig for brenselcellekontrolleren 8 å styre reaktanttrykket i brenselcellene, vil nå bli beskrevet mer detaljert. Reaktantene blir konsumert i brenselcellene, med en hastighet svarende til mengden av elektrisk strøm som leveres av stakken 1. Når, i fravær av en endring i last, brenselcellekontrolleren justerer én av tilførselsventilene 1, 1 mot den åpne stilling, vil den leverte strøm av hydrogen eller av oksygen øke, og mengden av hydrogen eller oksygen overstiger forbruket til brenselcellene. Dette fører til at trykket ved anoden eller katoden i brenselcellene også øker. I kontrast, når brenselcelle kontrolleren 8 justerer én av tilførselsventilene 1, 1 mot den lukkede posisjon, vil den leverte flyt av hydrogen eller av oksygen reduseres, og vil ikke være nok til å kompensere for mengden av hydrogen eller oksygen som forbrukes i brenselcellene. Dette fører til at trykket ved anoden eller katoden i brenselcellene reduseres. Som tidligere nevnt, i henhold til den foreliggende oppfinnelse er hydrogen og oksygen som leveres til brenselcellestakken i det vesentlige ren hydrogen og i det vesentlige ren oksygen hhv. Denne egenskapen gjør at hydrogen og oksygen til stede i brenselcellen forbrukes nesten fullstendig. Det er således mulig å redusere trykket ved katoden og ved anoden i brenselcellen til langt under det ytre atmosfæriske trykk, omtrent ned til vanndamptrykk. Derfor, i tilfellet der en brenselcellestakk opererer ved en temperatur på ca 60 C, kan trykket gå så lavt som 0,2 bar absolutt. [0032] Det sørges for at hydrogentrykket er minst 70 % av oksygentrykket, fortrinnsvis minst 0 % av oksygentrykket, for ikke å indusere en tilstand i brenselcellene som er kjent som "drivstoff sult". Drivstoff sult, hvis det varer lengre enn et lite øyeblikk, er kjent for å degradere brenselceller. Men andre driftsbetingelser der hydrogentrykket er mindre enn 0 % av oksygentrykket kan også være fordelaktig, særlig i det tilfelle der det er ønskelig å øke vanninnholdet i membranen. Videre, for å unngå fremkomsten av en stor trykkforskjell mellom anoden og katoden i brenselcellene blir hydrogentrykket fortrinnsvis justert til å følge oksygentrykket. I alle fall er hydrogentrykk avgrenset i et område mellom + / - % av oksygentrykket. [0033] Fig. A er et diagram som viser polariseringskurver (strøm- / spennings-kurver
8 1 2 3 40 4 referert til som 21-26) for en polymer elektrolytt brenselcelle som opererer ved en temperatur på omtrent 60 C og ved seks forskjellige trykk (2, bar abs, 1, bar abs, 1 bar abs, 0,62 bar abs, 0.4 bar abs, 0,22 bar abs ). Figur A viser at for en konstant driftsspenning av brenselcellen (eller med andre ord for en konstant spenning på den tilhørende akkumulator) endres strømmen betraktelig med trykket, og gir dermed mulighet til å justere energien som leveres av brenselcellen. Faktisk kan det beregnes fra kurvene i figur A at, for en konstant driftsspenning på 0,8 volt, reduseres utgangsstrømmen med en faktor når stakken er operert ved et trykk på 0,4 bar istedenfor 2, bar. Dette eksempel illustrerer en av fordelene ved å bruke et brenselcellesystem som forsynes med hovedsakelig ren oksygengass i stedet for luft. Faktisk, er luft en nitrogen-rik gass og tilstedeværelsen av nitrogen gjør det vanskelig å oppnå driftstrykk vesentlig under omgivelsesbetingelsene. [0034] Figur B er et diagram som viser minimum og maksimum lagringsbatterispenninger som funksjon av ladetilstand (SOC) til batteriet. Som kjent, er den lukkede kretsspenning fra et batteri i en gitt SOC bestemt både ved sin åpne kretsspenning (OCV) og av spenningstapet på grunn av flyten av strøm gjennom batteriet. Figur B illustrerer at den maksimalt tillatte spenning for et batteri i en gitt SOC bestemmes ved tilsetning av spenningstapet i forbindelse med den maksimalt tillatte ladestrømmen til OCV. På en tilsvarende måte blir den minste tillatte spenning bestemt ved å trekke fra spenningstapet forbundet med den maksimalt tillatte utløpsstrøm fra OCV. Naturligvis er de maksimale ladnings- og utladningsstrømmene begge også en funksjon av SOC. Spesielt når SOC er 0 % av den maksimalt brukbare ladning, er den maksimalt tillatte ladestrøm lik null, og når SOC er 0 % av den maksimale brukbare ladning, er den maksimalt tillatte utløpsstrøm null. Det skraverte området på figur B svarer til batteriets tillatte driftsområde. [003] Som tidligere nevnt, ettersom akkumulatoren og brenselcellestakken er direkte koblet, er deres spenninger like. Derfor, hvis utgangsspenningen til brenselcellestakken er over OCV til batteriet og utgangsspenningen øker videre vil ladestrømmen som leveres av stakken til batteriet også øke. Derimot, hvis utgangsspenningen fra stakken er under OCV til batteriet og utgangsspenningen ytterligere reduseres, vil utladningsstrømmen som leveres fra batteriet øke. Med andre ord virker akkumulatoren som en buffer for å begrense variasjoner i den totale belastningsstrøm som er koblet til stakken. Man vil forstå at siden akkumulatoren og stakken har samme spenning, bør størrelsen av lagerbatteriet velges slik at dens OCV tilsvarer en gjennomsnittlig brenselcellespenning som ligger innenfor intervallet mellom den tidligere nevnte øvre og nedre sikkerhetsgrense. I det foreliggende eksempel, er sikkerhetsgrensene for å sikre mot høye og lave cellespenninger 0,90 volt og 0,6 volt henholdsvis. Fortrinnsvis bør den gjennomsnittlige brenselcellespenningen som svarer til OCV forblir mellom nevnte øvre og nedre sikkerhetsgrenser for en hvilken som helst tillatte SOC av batteriet, dvs. at for en hvilken som helst SOC til batteriet i intervallet mellom en SOC som tilsvarer 0 % av den maksimale brukbare ladning, til en SOC som tilsvarer 0 % av den maksimalt brukbare ladning, i henhold til spesifikasjonene for akkumulatoren. [0036] Brenselcelle regulatoren 8 er innrettet til å redusere trykket av reaktantgassene som leveres til brenselcellestakken ved å delvis eller fullstendig å stenge hydrogen- og
9 1 2 3 40 4 oksygen-tilførselsventiler 1, 1. Men hvis en av tilførselsventilene 1 eller 1 er helt eller nesten lukket, blir tilsvarende ejektorpumpe 113 eller 123 ubrukelig, og flyten av brukt gass gjennom resirkuleringslinjen 11 R eller 12 R stanser. I en slik situasjon vil trykkene i tilførsels- (160 eller 16) og utløps- (180 eller 18) manifolden ha en tendens til å jevne seg ut og trykkfallet som er nødvendig for kjøring av reaktantgass langs strømningsfelt 170 og 17 forsvinner. For at brenselcellestakken skal fortsette å operere, selv når tilførselsventilen 1 eller 1 er lukket, skrur kontrollerenheten 1 på den tilsvarende hjelpepumpen 213 eller 223. Når en av pumpene 213 eller 223 er i drift, reinjiserer den overskytende reaktantgass til stede i eksosmanifolden 180 eller 18 til den tilsvarende tilførselsmanifold 160 og 16. Bruken av hjelpepumper 213 og 223 gjør det mulig å opprettholde den nødvendige trykkforskjell mellom tilførsels- og utløpsmanifold. [0037] Som beskrevet ovenfor, omfatter brenselcellesystemet med passiv hybrid strømforsyning der fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelsen er implementert, elektroniske kontrollere, tilførselsventiler 1, 1 kontrollert av brenselcellekontrolleren 8, pumper 213, 223, og en gass -væske separator. Brenselcellesystemet omfatter også en avkjølingskrets 6 ved hjelp av vannpumper, og det kan eventuelt bestå av elektriske oppvarmingsmidler i tillegg. Alle disse elementene, og andre, danner det som kan kalles ekstrautstyr. Dette ekstrautstyret trenger strøm for å driftes og utgjør det som vanligvis refereres til som den andre forbruker av brenselcellesystem. Derfor, når brenselcellesystemet fungerer, er energietterspørselen aldri null, selv ved tomgang (dvs. driftsforhold der et er null belastning tilkoplet). I det foreliggende eksempel vil et realistisk nummer for den parasittiske belastningsstrøm være omtrent 600 watt. [0038] Fig. 6 er et diagram som viser hvordan lasten kan deles mellom brenselcellesystemet og akkumulatoren. De horisontale linjene i midten av diagrammet er iso-effektlinjer for et fulladet batteri (SOC = 0 %). De nesten vertikale tynne linjer er iso- effektlinjer til brenselcellestakken. Den nesten vertikale tykke linjen til venstre i figuren er en iso-linje svarende til 600 watt (belastningen fra ekstrautstyr). Figur 6 viser at ved å kontrollere reaktanttrykket i brenselcellene, er det mulig å takle lav produksjonsbelastning og samtidig unngå høy cellespenning, selv når ladningstilstanden av lagringsbatteriet er 0 %. Faktisk viser diagrammet at OCV for fulladet batteri tilsvarer 0,8 volt / celle. Hvis trykket i brenselcellen er redusert til 0, bar under opprettholdelse av konstant brenselcellespenning, er mengden av energien som produseres av brenselcellestakken redusert til omtrent 0 watt. I dette tilfellet må ytterligere 0 Watt trekkes fra akkumulatoren for å tilfredsstille etterspørselen til ekstrautstyret. En annen mulighet er gradvis å øke trykket inntil stakken produserer 600 watt med elektrisk effekt. [0039] Fortsatt med henvisning til figur 6, vil man legge merke til at arbeidspunktet ved skjæringspunktet til 2, bar linjen med 600 Watt iso-effektlinjen tilsvarer en brenselcellespenning på nesten 1 volt. Med andre ord, er det ikke mulig å unngå høy cellespenning uten å senke driftstrykket i en passiv hybrid strømforsyning. Med andre ord, illustrerer figur 6 hvordan den foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å ikke
stenge ned brenselcellesystemene under driftsbetingelser med null tilkoblet belastning, selv om ingen energilagringskapasitet er tilgjengelig i batteriet.
11 Krav 1. En fremgangsmåte for drift av en passiv hybrid strømforsyning koblet til en variabel last, under forhold der den variable lasten er null eller nær null, der den passive hybride strømforsyningen omfatter et PEM-brenselcellesystem (1) og en akkumulator (18) forbundet i parallell til den variable lasten (17), der PEM-brenselcellesystemet omfatter en flerhet av individuelle brenselceller som er koblet i serie og ekstrautstyr som inkluderer en styrbar hydrogenresirkuleringspumpe (213) og en styrbar oksygenresirkuleringspumpe (223), og der fremgangsmåten omfatter: - å tilveiebringe en flyt av hovedsakelig rent hydrogen til anodene i nevnte brenselceller; - å tilveiebringe en flyt av hovedsakelig rent oksygen til katodene i nevnte brenselceller; - å overvåke en elektrisk spenning levert av akkumulatoren; 1 - å overvåke en utgangsspenning som deles av flerheten av individuelle brenselceller som er koblet i serie, og av batteriet; - å vurdere en ladetilstand (SOC) til batteriet basert på nevnte elektrisk strøm og utgangsspenningen; - å overvåke et hydrogentrykk i brenselcellene; 2 3 - å overvåke et oksygentrykk i brenselcellene, - å begrense flyten av hydrogen, og flyten av oksygen og aktivering av hydrogen- og oksygen-resirkuleringspumpene på en slik måte at det tilveiebringer og opprettholder hydrogen- og oksygen-trykket under 0,7 bar absolutt og samtidig opprettholder nevnte hydrogentrykk mellom 70 og 1 % av nevnte oksygentrykk, på en slik måte at det sikres at utgangsspenningen er opprettholdt på et nivå som tilsvarer mindre enn 0,90 volt / celle, og ikke overskrider den maksimale spenningsgrensen for batteriet. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der nevnte fremgangsmåte omfatter å justere hydrogenflyten og oksygenflyten på en slik måte at nevnte utgangsspenninger forblir på et nivå svarende til mellom 0,70 og 0,8 volt / celle. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, der akkumulatoren har en åpen kretsspenning som tilsvarer mellom 0,7 og 0,80 volt / brenselcelle når ladetilstanden for batteriet er 0 %.
12 KJENT TEKNIKK
13 Brenselcelle Last Batteri Brenselcelle Last Batteri
Batteri Last NO/EP24 14
Oksygenkrets Hydrogenkrets Avkjølingskrets Effektkontroller Motorkontroller NO/EP24 1 Brenselcelle omformer Effektomformer
Cellespenning [V] NO/EP24 16 Strøm [A] Maksimum batterispenning Absolutt maksismum batterispenning Minimum Batterispenning Minimum ladningstilstand Absolutt minimum batterispenning Maksimum ladningstilstand
Belastningseffekt fra ekstrautstyr Brenselcellens strømtetthet NO/EP24 17 Brenselcellespenning