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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere
Verfahren zum Start eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung
von Umgebungsluft und einem Niederspannungsgebläse.
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Brennstoffzellen
sind bei vielen Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle
verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung
in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren
vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran
(PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff
an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen
umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen,
elektrisch nicht leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf
einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten
Seite den Kathodenkatalysator umfasst. Die MEA ist zwischen ein
Paar elektrisch leitende Elemente geschichtet, die als Stromkollektoren
für die
Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen
darin umfassen, um die gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle über
die Oberflächen
der jeweiligen Anoden- und
Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und
ihre Membranelektrodenanordnung (MEA) ist in den U.S. Patenten Nr. 5,272,017
und 5,316,871 beschrieben, die am 21. Dezember 1993 bzw. 31. Mai
1994 erteilt wurden und auf die General Motors Corporation übertragen
sind.
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Der
Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise
dazu verwendet, abhängig
vom Zusammenhang entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von
Zellen zu bezeichnen. Zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels
wird üblicherweise
eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt. Jede Zelle in dem Stapel
umfasst die vorher beschriebene MEA, und jede derartige MEA liefert
ihren Spannungszuwachs. Typische Anordnungen mehrerer Zellen in
einem Stapel sind in dem U.S. Patent Nr. 5,763,113 beschrieben,
das auf die General Motors Corporation übertragen und hier in seiner
Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
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In
der Startphase eines Brennstoffzellensystems wird oftmals ein Kompressor
verwendet, um Druckluft oder unter Druck stehenden Sauerstoff an den
Brennstoffzellenkathodeneinlass zu liefern, während Wasserstoff in den Brennstoffzellenanodeneinlass
eingeführt
wird. Viele Brennstoffzellensysteme verwenden gegenwärtig große Batteriepakete,
um den Kompressor zu starten und zu betreiben, bevor Abgabeleistung
von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist. Das große Batteriepaket
wird oftmals mit verschiedenen DC/DC-Wandlern verwendet, um die für den Kompressor
nötige
hohe Spannung vorzusehen. Gewöhnlich
sind ein oder mehrere DC/DC-Wandler nötig, um die Batteriespannung
auf das Stapelniveau anzuheben und dann ist ein anderer DC/DC-Wandler
nötig,
um die Spannung von dem Stapelniveau auf das Kompressormotorniveau
anzuheben. Das große
Batteriepaket und die DC/DC-Wandler tragen erheblich zu dem Gewicht, dem
Volumen wie auch den Kosten des Brennstoffzellensystems bei. Somit
besteht ein Bedarf nach einer Vereinfachung des Brennstoffzellensystems,
wie auch einer Verringerung der Masse, des Volumens und der Kosten
des Systems.
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Demgemäß ist die
vorliegende Erfindung vorgesehen, um das Starten eines Brennstoffzellensystems
ohne Verwendung von über
Batterie abgeleiteter Hochspannungsleistung zum Antrieb des Kompressors
zu vereinfachen. Stattdessen sieht die vorliegende Erfindung die
Verwendung eines Niederspannungsgebläses vor, um Sauerstoff an die
Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu liefern und damit ein
Starten des Brennstoffzellenstapels ohne die anfängliche Verwendung des Hochspannungskompressors
zu ermöglichen.
Das Niederspannungsgebläse
kann durch eine Niederspannungsenergiequelle und/oder die von dem
Brennstoffzellenstapel erzeugte Spannung betrieben werden.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der
eine Anodenseite mit einem Anodeneinlass und eine Kathodenseite
mit einem Kathodeneinlass umfasst. Der Brennstoffzellenstapel dient
dazu, einen wasserstoffhaltigen Reaktanden an der Anodenseite und
einen sauerstoffhaltigen Reaktanden an der Kathodenseite in Elektrizität, einen
Anodenabfluss und einen Kathodenabfluss umzuwandeln. Eine Quelle
für wasserstoffhaltigen Reaktanden
ist mit dem Anodeneinlass verbunden, und eine Quelle für sauerstoffhaltigen
Reaktanden ist mit dem Kathodeneinlass verbunden. Ein Niederspannungsgebläse, das
dazu dient, sauerstoffhaltigen Reaktanden von der Quelle für sauerstoffhaltigen
Reaktanden zu liefern, ist mit dem Kathodeneinlass verbunden. Ein
Hochspannungskompressor, der dazu dient, sauerstoffhaltigen Reaktanden
von der Quelle für
sauerstoffhaltigen Reaktanden zu liefern, ist mit dem Kathodeneinlass
verbunden.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Brennstoffzellenstartverfahren für ein Brennstoffzellensystem,
dass: (1) Wasserstoff in den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels eingeführt wird;
(2) ein Gebläse
mit einer Niederspannungsenergiequelle betrieben wird, um Sauerstoff
an den Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zu liefern; und
(3) eine Spannungsabgabe mit dem Brennstoffzellenstapel erzeugt
wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung enthält
die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels vor dem Start Sauerstoff, und
das Niederspannungsgebläse
wird von dem Brennstoffzellenstapel betrieben. Die Anwesenheit von
Sauerstoff in der Kathodenseite kann das Ergebnis einer Vielzahl
von Betriebsfaktoren sein, wie beispielsweise einem Spülvorgang
des Brennstoffzellenstapels, einem Betrieb mit einem hohen Lambda an
Sauerstoff kurz vor dem Abschalten des Brennstoffzellenstapels,
wie auch einem Vorladen der Kathodenseite mit Sauerstoff. Bei dieser
Ausführungsform
umfasst das Verfahren, dass: (1) Wasserstoff in den Anodeneinlass
des Brennstoffzellenstapels eingeführt wird, um eine Spannung
mit dem Brennstoffzellenstapel zu erzeugen; (2) das Niederspannungsgebläse mit der
Spannung des Brennstoffzellenstapels betrieben wird, um zusätzlichen
Sauerstoff an den Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels über das
Gebläse
zu liefern; und (3) die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte
Spannung mit der Zeit erhöht
wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Brennstoffzellenstapel betrieben,
um eine minimale Spannungsabgabe beizubehalten, die dazu verwendet
werden kann, den Brennstoffzellenstapel zu starten, wenn ein Normalbetrieb
gefordert wird. Bei diesem Verfahren wird, wenn kein Normalbetrieb
des Brennstoffzellenstapels gefordert wird, der Brennstoffzellenstapel
in einer Bereitschaftsbetriebsart betrieben. In der Bereitschaftsbetriebsart
wird die Spannung des Brennstoffzellenstapels überwacht und über einem
vorbestimmten minimalen Wert gehalten. Um die Spannung über dem
vorbestimmten minimalen Wert zu halten, wird selektiv Wasserstoff
in den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels eingeführt und
ein Niederspannungsgebläse
selektiv mit der Spannung des Brennstoffzellenstapels betrieben,
um Sauerstoff an den Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zu
liefern.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,
das einen Brennstoffzellenstart ohne Verwendung von über Batterie
abgeleiteter Hochspannungsleistung vorsehen kann, um den Kompressor anzutreiben,
gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,
das einen Brennstoffzellenstart ohne Verwendung von über Batterie
abgeleiteter Hochspannungsleistung vorsehen kann, um den Kompressor
anzutreiben, gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist, und
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3 eine
schematische Ansicht einer alternativen Anordnung des Niederspannungsgebläses und
des Hochspannungskompressors gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist.
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter
Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw.
ihre Benutzung zu beschränken.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Brennstoffzellensystem 20 und
insbesondere ein Brennstoffzellensystem gerichtet, bei dem ein Start
eines Brennstoffzellenstapels ohne die Verwendung von über Batterie
abgeleiteter Hochspannungsleistung ausgeführt werden kann, um den Kompressor
anzutreiben. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 20 einen
Brennstoffzellenstapel 22, der mit einer Wasserstoffquelle 24 und
einer Sauerstoffquelle 26 verbunden ist, wie es in der
Technik gut bekannt ist. Im Überblick
umfasst ein Brennstoffzellenstapel 22 eine Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen
(MEAs), die jeweils zwischen einer Vielzahl von bipolaren Platten angeordnet
sind. Wie es in der Technik bekannt ist, kann der Stapel auch eine
Vielzahl von Gasverteilungsschichten, eine Vielzahl von Anodenverteilern, eine
Vielzahl von Kathodenverteilern, eine Vielzahl von Kühlmittelverteilern
und Endplatten umfassen, die alle in einer gestapelten Beziehung
angeordnet sind. Die Reihenfolge der MEAs und bipolaren Platten
wird wiederholt, um die gewünschte
Spannungsabgabe für
den Brennstoffzellenstapel 22 vorzusehen. Wie es in der
Technik bekannt ist, umfasst jede MEA eine Membran in der Form eines
dünnen
protonendurchlässigen,
elektrisch nicht leitenden Festpolymerelektrolyten. Eine Anodenkatalysatorschicht
ist an einer Fläche
der Membrane vorgesehen, und eine Kathodenkatalysatorschicht ist
an der entgegengesetzten Fläche
der Membrane vorgesehen. Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die Gestaltung des Brennstoffzellenstapels 22 eine
beliebige bekannte Anordnung haben.
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Die
Wasserstoffquelle 24 kann einen Brennstoffprozessor oder
gespeicherten Wasserstoff umfassen, wie es in der Technik bekannt
ist. Ein Wasserstoffversorgungsventil 28 (entweder manuell und/oder
elektronisch solenoidgesteuert) ist in Verbindung mit der Wasserstoffquelle 24 vorgesehen, um
Wasserstoff an einen Anodeneinlass 30 des Brennstoffzellenstapels 22 zu
liefern. Das Wasserstoffversorgungsventil 28 kann manuell
und/oder durch ein elektronisches Solenoid betätigt werden. Das Wasserstoffversorgungsventil 28 kann
anfänglich über einen
Druckknopf oder einen anderen Typ einer Verbindungsanordnung manuell
betätigt
werden und später
elektrisch über
das Solenoid betätigt werden,
wenn ausreichend Leistung verfügbar
ist oder von dem Brennstoffzellensystem 20 erzeugt wird.
Gegebenenfalls kann ein mechanischer Zeitgeber (nicht gezeigt) oder
eine ähnliche
Vorrichtung dazu verwendet werden, den offenen Zustand des Wasserstoffversorgungsventils 28 so
lange aufrechtzuerhalten, bis es elektrisch gesteuert werden kann, um
das Erfordernis eines manuellen Haltens des offenen Zustands des
Wasserstoffversorgungsventils 28 während der Startphase zu vermeiden.
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Sauerstoff
in der Form von Luft oder reinem Sauerstoff wird an das Brennstoffzellensystem 20 durch
eine Sauerstoffquelle 26 geliefert, die in Verbindung mit
einem Hochspannungskompressor 32 steht, der Sauerstoff
an den Kathodeneinlass 34 des Brennstoffzellenstapels 20 über einen
Kathodengasdurchgang 36 liefert. Die Sauerstoffquelle 26 steht auch
in Verbindung mit einem Niederspannungsgebläse 38, das Sauerstoff
an den Kathodeneinlass 34 des Brennstoffzellenstapels 20 über den
Kathodengasdurchgang 36 liefert. Somit kann Sauerstoff
an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 über den
Kathodeneinlass 34 von entweder dem Kompressor 32 und/oder
dem Gebläse 38 durch
den Kathodengasdurchgang 36 geliefert werden. Zwischen
dem Kathodengasdurchgang 36 und dem Kompressor 32 bzw.
dem Gebläse 38 ist
ein Paar Rückschlagventile 40, 42 positioniert.
Die Rückschlagventile 40, 42 verhindern
einen Rückfluss
von Sauerstoff in den Kompressor 32 oder das Gebläse 38,
wenn Sauerstoff durch das Gebläse 38 bzw.
den Kompressor 32 geliefert wird. Bei einer alternativen Anordnung,
die in 3 gezeigt ist, sind das Gebläse 38 und der Kompressor 32 in
Reihe zueinander positioniert. Bei dieser Ausführungsform erlaubt der Kompressor 32 einen
direkten Durchfluss von Sauerstoff, der von dem Gebläse 38 geliefert
wird. Diese Ausgestaltung beseitigt den Bedarf nach dem Paar von Rückschlagventilen 40, 42 und
kann somit die Kosten des Brennstoffzellensystems 20 verringern.
Eine Ausführungsform
verwendet das Kühlergebläse als das
Gebläse 38, 38'. Die gesamte
Gebläseluft
oder ein Anteil der Gebläseluft
wird an das Rückschlagventil 42, 42' (wie in den 1 und 2 gezeigt
ist) oder den Einlass des Kompressors 32, 32' (wie in 3 gezeigt
ist) geführt.
Die Verwendung des existierenden Kühlergebläses und -motors vermeidet die Kosten
eines zusätzlichen
Gebläses
in dem System. Eine zusätzliche
Option zu 3 umfasst, dass ein Bypassventil 43 um
das Gebläse
herum in dem Fall vorgesehen wird, wenn der Kompressor 32, 32' Schwierigkeiten
hat, Luft durch ein beschränkendes Gebläse 38, 38' zu ziehen.
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Der
Kompressor 32 wird durch einen Motor 44 betrieben,
der mit elektrischer Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 22 beliefert
wird. Das Gebläse 38 wird
jedoch mit elektrischer Leistung von einer Niederspannungsenergiequelle 46 beliefert.
Die Energiequelle 46 kann eine Vielzahl von Formen annehmen.
Beispielsweise kann die Energiequelle 46 eine Niederspannungsbatterie
oder ein Niederspannungskondensator sein, wie beispielsweise ein
UltraCap. Die Energiequelle 46 kann mit der Leistungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels 22 im Normalbetrieb geladen werden.
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Es
ist ein Controller 48 vorgesehen, um den Betrieb des Motors 44 und
des Gebläses 38 zu
steuern wie auch den Spannungspegel der Zellen des Brennstoffzellenstapels 22 zu
erfassen. Der Controller 48 wird im Betrieb mit Leistung
von der Niederspannungsleistungsquelle 46 und später von
dem Brennstoffzellenstapel 22 beliefert. Der Controller 48 kann
in Verbindung mit der Niederspannungsenergiequelle 46 auch
dazu verwendet werden, einen Betrieb des Wasserstoffversorgungsventils 28 zu
steuern, wenn es elektronisch gesteuert wird. Es sei zu verstehen,
dass die Begriffe "Niederspannung" und "Hochspannung", die hier verwendet
sind, relative Begriffe sind, und dass "Niederspannung" eine Spannung von kleiner gleich oder
etwa 50 Volt betrifft, während "Hochspannung" eine Spannung über etwa 50
Volt betrifft.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 20 sieht
einen Start des Brennstoffzellensystems 20 ohne die Verwendung von über Batterie
abgeleiteter Hochspannungsleistung zum Antrieb des Kompressors 32 vor.
Gemäß des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung wird Wasserstoff an den Anodeneinlass 30 geliefert,
indem das Ventil 28 geöffnet
wird, um eine Wasserstoffströmung
von der Wasserstoffquelle 24 in die Anodenströmungskanäle zuzulassen.
Das Ventil 28 wird entweder manuell über einen Druckknopf oder eine
andere mechanische Vorrichtung geöffnet, die betätigt werden
kann, um das Ventil 28 ohne eine Leistung zu öffnen, oder
wird durch den Controller 48 geöffnet, der ein Signal an die
Vorrichtung sendet, wie beispielsweise ein mit Solenoid arbeitendes
Ventil 28. Das Gebläse 38 wird
dann von dem Controller 48 angewiesen, den Betrieb zu beginnen,
um Sauerstoff an die Kathodenströmungskanäle und den Brennstoffzellenstapel 22 von
der Sauerstoffversorgung 26 zu liefern. Das Gebläse 38 wird
von der Niederspannungsenergiequelle 46 betrieben. Die
Lieferung von Wasserstoff und Sauerstoff erlaubt, dass der Brennstoffzellenstapel 22 eine
Spannungsabgabe erzeugen kann, die mit der Zeit ansteigt, wenn mehr
Wasserstoff und Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel 22 geliefert
werden und durch diesen verbraucht werden. Der Controller 48 überwacht
die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22. Wenn
die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 steigt,
kann der Kompressor 32 in Betrieb genommen und durch die
Spannungsgabe des Brennstoffzellenstapels 22 betrieben
werden, um zusätzlichen
Sauerstoff an den Kathodeneinlass 34 von der Sauerstoffquelle 26 zu
liefern.
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Genauer
wird, wenn der Controller 48 bestimmt, dass elektrische
Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt wird,
der Motor 44 angewiesen, eine Last an den Brennstoffzellenstapel 22 anzulegen,
der langsam beginnt, den Kompressor 32 anzutreiben, um
zusätzliche
Luft an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22 zu liefern.
Die mit dem Brennstoffzellenstapel 22 in Verbindung stehende
Last wird dann allmählich
durch Erhöhung
einer Last des Motors 44 erhöht, bis das System ausreichend
Nettoleistung erzeugt, um unter normalen Betriebsbedingungen zu
arbeiten. Bevorzugt wird der Kompressor 32 so lange nicht
betrieben, bis die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 einen
vorbestimmten Wert erreicht. Der vorbestimmte Wert ist auf Grundlage
der Konstruktion des Brennstoffzellensystems 20, der Spannungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels 22, die mit der Lieferung von
Luft an die Kathodenströmungskanäle über das
Gebläse 38 bei
Betrieb durch eine Niederspannungsenergiequelle 46 möglich ist,
und der Anzahl und der Leistungsfähigkeit der DC/DC-Wandler (nicht
gezeigt) gewählt,
die dazu verwendet werden, die Spannung des Brennstoffzellenstapels 22 auf
einen Wert zu erhöhen,
der ausreichend ist, um den Motor 44 und den Kompressor 32 anzutreiben.
Die höhere
Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 vor dem
Beginn des Betriebs des Motors 44 und des Kom pressors 32 kann
die Anzahl von DC/DC-Wandlern verringern, die erforderlich sind, um
die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 auf
den Hochspannungspegel anzuheben, der erforderlich ist, um den Motor 44 und
den Kompressor 32 zu betreiben. Die bedeutet, dass die
Verzögerung
des Betriebs des Motors 44 und Kompressors 32,
bis eine höhere
Spannung von dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugt wird,
die Anzahl von DC/DC-Wandlern, die erforderlich sind, um die Spannungsabgabe
zu erhöhen,
aufgrund einer höheren Anfangsspannungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels 22 vor Beginn des Betriebs
des Motors 44 und Kompressors 32 verringert.
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Wenn
der Kompressor 32 betrieben wird, um zusätzliche
Luft an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22 zu
liefern, kann der Betrieb des Gebläses 38 verringert
werden. Dies bedeutet, dass, wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 auf
eine Größe ansteigt, die
ausreichend ist, um einen Betrieb des Motors 44 und des
Kompressors 32 zu beginnen, der Betrieb des Gebläses 38 verringert
wird. Der Betrieb des Gebläses 38 kann
mit der Zeit verringert werden, wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 zunimmt,
sobald die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 einen
vorbestimmten Wert erreicht und/oder sobald die Spannungsabgabe des
Brennstoffzellenstapels 22 ausreichend ist, um einen Betrieb
des Kompressors 32 auf einem Niveau zu stützen, das
ermöglicht,
dass der Kompressor 32 die gesamte von dem Brennstoffzellenstapel 22 geforderte
Luft liefern kann, um die Erhöhung
der Spannungsabgabe auf das normale Betriebsniveau fortzusetzen.
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Die
Steuerung des Brennstoffzellensystems 20 während der
Startphase kann auf alternative Arten ausgeführt werden. Ein Verfahren besteht
darin, einen Controller 48 zur Überwachung der Zellenspannungen
und zum Anweisen des Kompressormotors 44 zu verwenden,
um den Brennstoffzellenstapel 22 auf eine Art und Weise
zu beladen, dass die Zellenspannungen auf vernünftigen Niveaus gehalten werden.
Wenn der Kompressor 32 beginnt, Luft zu fördern, die
von einem Signal von einem Luftdurchflusssensor oder einem Krümmerdrucksensor 50 erfasst wird,
kann mehr Wasserstoff über
eine weitere Öffnung
des Ventils 28 angewiesen werden, und es kann eine größere Kompressorlast
aufgebracht werden. Ein Schneeballeffekt erlaubt, dass das System auf
einen positiven Nettoleistungszustand hochgefahren werden kann.
Wenn das System in der Lage ist, positive Nettoleistung zu liefern,
kann der Controller 48 auf eine Laufsteuerbetriebsart umschalten
und einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 übernehmen.
Der Controller 48 kann auch ein Gebläse 38 anweisen, einen
Beendigungsvorgang zu beginnen, wenn die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 erhöht wird,
und/oder wenn abhängig
von dem Luftdurchfluss, der durch Sensor 50 erfasst wird, die
in die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22 strömende Luft
zunimmt. Der Betrieb des Gebläses 38 endet,
wenn eine vorbestimmte Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22 erreicht
ist, das System 20 positive Nettoleistung liefern kann
und/oder der Kompressor 32 auf einem Niveau arbeitet, das
ausreichend ist, um die geforderte Luftmenge an den Brennstoffzellenstapel 22 zu
liefern.
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Ein
anderes alternatives Verfahren besteht darin, das Startverhalten
des Brennstoffzellenstapels 22, des Gebläses 38 und
des Kompressors 32 an einem Punkt zu charakterisieren,
an dem die angewiesene Wasserstoffströmung und der begonnene Betrieb
des Gebläses 38 und
des Kompressors 32 auf Basis einer Steuerung (Steuerkette)
gehandhabt werden kann. Mit anderen Worten kann die Einführung von
Wasserstoff und die zugeordnete Versorgung von Luft durch das Gebläse 38 und
schließlich die
auf den Kompressormotor 44 ausgeübte Last durch einen Zeitplan
gekenn zeichnet werden, so dass in der Startphase die Einführung von
Wasserstoff, der an den Anodeneinlass 30 geliefert wird,
und die Steuerung des Gebläses 38 und
des Kompressormotors 44 gemäß einem computerimplementierten
(oder über
zweckgebundene Schaltung gesteuerten) Zeitplan gesteuert werden
kann, um einen Systemstart zu erreichen. Bei diesem Szenario wäre die Zellenspannungsüberwachung
nicht erforderlich, wodurch die Elektronik vereinfacht wird.
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Somit
wird mit dieser Ausführung
und dem Verfahren gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung beim Start nur eine Niederspannungsenergiequelle 46 benötigt, um
den Controller 48, das Gebläse 38 und das Wasserstoffversorgungsventil 28 (wenn
es elektrisch gesteuert ist) zu betätigen. Der Brennstoffzellenstapel 22 wird
durch Verwendung eines Niederspannungsgebläses 38 anstelle des Hochspannungskompressors 32 gestartet,
um Luft an die Kathodenseite zu liefern. Dies erlaubt, dass eine
wesentlich kleinere Energiequelle in dem Brennstoffzellensystem 20 verwendet
werden kann, und verringert die Anzahl und die Kosten der DC/DC-Wandler,
die dazu verwendet werden, die niedrige Spannung auf die hohe Spannung
zum Betrieb des Kompressors 32 anzuheben.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist, sieht die vorliegende Erfindung einen
Start eines Brennstoffzellensystems 20' unter Verwendung der von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugten Leistung
vor. Das Brennstoffzellensystem 20' ist im Wesentlichen gleich dem
Brennstoffzellensystem 20, das in 1 gezeigt
ist. Der Unterschied besteht darin, dass die Niederspannungsenergiequelle 46 in
dem Brennstoffzellensystem 20' nicht vorhanden ist, und der Controller 48', das Wasserstoffversorgungsventil 28' (wenn es elektrisch
gesteuert ist) und das Gebläse 38' aufgrund dessen
von dem Brennstoffzellenstapel 22' betrieben werden, was durch den
Controller 48' gesteuert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Start eines Brennstoffzellensystems 20' nur unter Verwendung
von Leistung vor, die von dem Brennstoffzellenstapel 22' abgeleitet
wird. Ein erster Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, den Brennstoffzellenstapel 22' auf eine Art
und Weise zu betreiben, dass dafür
gesorgt wird, dass Sauerstoff oder Luft in dem Kathodenströmungskanal
des Brennstoffzellenstapels 22' bei Abschalten des Betriebs des
Brennstoffzellenstapels 22' verbleibt.
Mit anderen Worten wird der Brennstoffzellenstapel 22', wenn er abgeschaltet
wird, auf eine Art und Weise betrieben, mit der sichergestellt wird,
dass Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' zu dem Zeitpunkt
vorhanden ist, zu dem der Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden soll.
Der Brennstoffzellenstapel 22' kann auf eine Anzahl verschiedener
Arten während
der Abschaltvorgehensweise betrieben werden, um sicherzustellen, dass
Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22 vorhanden ist, wenn der Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden
soll. Ein Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, dass die Anoden-
und Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' mit Sauerstoff
oder Luft während
der Abschaltvorgehensweise gespült
werden. Dieser Spülvorgang
spült einen
Großteil
oder den gesamten Wasserstoff von den Anodenströmungskanälen zusammen mit einer Spülung des Wassers,
das sich in den Strömungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' angesammelt
hat. Durch Spülen
des Brennstoffzellenstapels 22' mit Luft vor dem Abschalten ist
Luft oder Sauerstoff in sowohl den Kathodenströmungskanälen als auch Anodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22' vorhanden,
wenn der Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden soll.
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Ein
anderer Weg, um dafür
zu sorgen, dass Sauerstoff oder Luft in den Kathodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22' beim
Start vorhanden ist, besteht darin, die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' vor dem Abschalten
des Brennstoffzellenstapels 22' mit einer übergroßen Menge an Sauerstoff oder
Luft zu versorgen. Mit anderen Worten wird Sauerstoff oder Luft
an die Kathodenströmungskanäle in einer
Konzentration oder Menge geliefert, die erheblich größer als
die stöchiometrische
Menge ist, die auf Grundlage der Menge an Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22' erforderlich
ist. Das Ergebnis besteht darin, dass, wenn der Brennstoffzellenstapel 22' heruntergefahren
wird, der Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen und der Wasserstoff in
den Anodenströmungskanälen weiterhin
verbraucht wird und der Brennstoffzellenstapel 22' eine Leerlaufspannung
erzeugt. Die Leerlaufspannung verringert sich mit der Zeit, wenn
der Wasserstoff und Sauerstoff in den jeweiligen Anoden- und Kathodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht
wird. Durch das Bereitstellen einer übergroßen Menge an Sauerstoff oder
Luft in den Kathodenströmungskanälen ist,
wenn der gesamte Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen des Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht
ist, verbleibender Sauerstoff oder verbleibende Luft in den Kathodenströmungskanälen vorhanden,
die in der Startphase des Brennstoffzellenstapels 22' verwendet werden
kann.
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Ein
anderer Weg, Sauerstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 22' vor dem Startbetriebsablauf
zu liefern, besteht darin, Sauerstoff in die Kathodenströmungskanäle vorzuladen. Dies
kann dadurch erreicht werden, dass der Brennstoffstapel 22' abgeschaltet
wird und die Leerlaufspannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' überwacht
wird, wenn der verbleibende Sauerstoff und Wasserstoff in den jeweiligen
Kathoden- und Anodenströmungskanälen verbraucht
wird. Wenn die Stapelspannung auf ein vorbestimmtes Niveau abfällt, weist
der Controller 48' das
Gebläse 38' an, Sauerstoff
an den Kathodeneinlass 34' des
Brenn stoffzellenstapels 22' zu
liefern, um zusätzlichen Sauerstoff
oder zusätzliche
Luft in die Kathodenströmungskanäle vorzuladen
oder vorzusehen. Die Menge an Sauerstoff, die an die Kathodenströmungskanäle während des
Vorladevorgangs geliefert wird, sollte ausreichend sein, so dass
eine gewünschte Sauerstoffmenge
darin verbleibt, nachdem der verbleibende Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht
ist. Somit existieren zumindest drei verschiedene Wegen, über die
der Brennstoffzellenstapel 22' abgeschaltet werden kann, um sicherzustellen,
dass sich Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen für einen nachfolgenden Startbetrieb
des Brennstoffzellenstapels 22' befindet.
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Gemäß den Verfahren
der vorliegenden Erfindung wird, wenn ein Brennstoffzellenstapel 22' gestartet werden
soll, Wasserstoff an den Anodeneinlass 30' durch Öffnen des Ventils 28' geliefert,
wodurch Wasserstoff von der Quelle 24 in die Anodenströmungskanäle strömen kann.
Der Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen und
die existierende Luft oder der existierende Sauerstoff in den Kathodenströmungskanälen ermöglicht,
dass von dem Brennstoffzellenstapel 22' elektrische Energie erzeugt werden
kann.
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Wenn
der Controller 48' bestimmt,
dass von dem Brennstoffzellenstapel 22' elektrische Energie erzeugt wird,
weist der Controller 48' das
Gebläse 38' an, Energie
von dem Brennstoffzellenstapel 22' zu ziehen, und beginnt, zusätzlichen
Sauerstoff von der Sauerstoffquelle 26' an den Kathodeneinlass 34' des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern.
Der Controller 48' übernimmt
auch die Steuerung des Wasserstoffversorgungsventils 28'. Die Spannung
des Brennstoffzellenstapels 22' steigt aufgrund des in den jeweiligen
Kathoden- und Anodenströmungskanälen befindlichen
Sauerstoffs und Wasserstoffs an. Der Controller 48' kann die Menge
an Luft, die an den Kathodeneinlass 34' geliefert wird, mit dem Sensor 50' überwachen
und die Menge an Sauerstoff oder Luft, die an den Einlass 34' geliefert wird,
demgemäß einstellen.
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Wenn
die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugte Spannung zunimmt, weist
der Controller 48' den
Motor 44' an,
eine Last auf dem Brennstoffzellenstapel 22' aufzubringen, der langsam beginnt, den
Kompressor 32' anzutreiben,
der zusätzliche
Luft oder zusätzlichen
Sauerstoff an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' liefert. Die
an den Brennstoffzellenstapel 22' angelegte Last wird dann allmählich erhöht, indem
die Last des Motors 44' erhöht wird,
bis das System ausreichend Nettoleistung erzeugt, um unter normalen
Betriebsbedingungen zu arbeiten. Der Betrieb des Gebläses 38' wird beendet,
wenn die Erzeugung von elektrischer Leistung durch den Brennstoffzellenstapel 22' ausreichend
ist, den Kompressor 32' auf
einem Niveau anzutreiben, das den benötigten Sauerstoff an die Kathodenströmungskanäle des Brennstoffzellenstapels 22' liefert, um
die Erhöhung
der Produktion des Brennstoffzellenstapels 22' auf das Betriebsniveau hin
weiter fortzusetzen.
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Die
Steuerung des Gebläses 38', des Kompressors 32' und des Ventils 28' ist im Wesentlichen gleich
der, die oben unter Bezugnahme auf das Brennstoffzellensystem 20,
das in 1 gezeigt ist, beschrieben ist. Demgemäß kann der
Controller 48' dazu
verwendet werden, die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugte Spannung
zu überwachen
und den Betrieb des Gebläses 38', des Kompressors 32' und/oder des
Ventils 28' zu
steuern. Das Brennstoffzellensystem 20' kann auch auf einer Basis einer Steuerung
mit Steuerkette betrieben werden, ohne dass es erforderlich ist,
dass der Controller 48' die Spannungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels 22' überwachen muss. Somit kann
das Brennstoffzellensystem 20' ohne die Verwendung einer Niederspannungsenergiequelle
und durch die Verwendung des Niederspannungsgebläses 38' gestartet werden, was die Kosten
wie auch die Anzahl der DC/DC-Wandler verringert, die erforderlich
sind, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22' einzuleiten.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch ein alternatives Betriebsverfahren
eines Brennstoffzellensystems ohne eine Niederspannungsenergiequelle vor.
Genauer sieht die vorliegende Erfindung ein alternatives Verfahren
zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 20' vor, das den Brennstoffzellenstapel 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart
beibehält, wenn
kein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' gefordert wird.
Bei diesem Verfahren wird der Brennstoffzellenstapel 22' als eine Batterie
betrieben, um eine Niederspannungsleistung an das Gebläse 38' zu liefern
und damit einen Start des Brennstoffzellenstapels 22' zu ermöglichen.
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Gemäß diesem
Verfahren wird der Brennstoffzellenstapel 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart betrieben,
wenn kein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' gefordert ist.
Dies bedeutet, dass der Brennstoffzellenstapel 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart
gehalten wird, so dass der Brennstoffzellenstapel 22' eine Spannungsabgabe
aufweist, die während
eines Starts des Brennstoffzellenstapels 22' verwendet werden kann, wenn der
Brennstoffzellenstapel 22' normal
betrieben werden soll. Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22' in einer Bereitschaftsbetriebsart
beginnt damit, dass der Brennstoffzellenstapel 22' aus einem vorher
erfolgten normalen Betriebszustand abgeschaltet wird. Die Spannung
des Brennstoffzellenstapels 22' nimmt ab, wenn der verbleibende
Sauerstoff und verbleibende Wasserstoff in den jeweiligen Kathoden-
und Anodenströmungskanälen des
Brennstoffzellenstapels 22' verbraucht
wird. Die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' wird durch
den Controller 48' überwacht
und über
einem vorbestimmten minimalen Wert gehalten. Dies bedeutet, dass
die Spannung des Brennstoffzellenstapels 22' auf ein voreingestelltes Niveau
abnehmen kann, bevor er betrieben wird, um zusätzliche Spannung zu erzeugen,
so dass die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' über dem
vorbestimmten minimalen Wert gehalten wird.
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Um
die Spannung über
dem vorbestimmten minimalen Wert zu halten, überwacht der Controller 48' die Spannungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels 22' und weist ggf. das Wasserstoffventil 28' an, zusätzlichen
Wasserstoff an den Anodeneinlass 30' des Brennstoffzellenstapels 22' einzuführen, und weist
das Gebläse 38' an, zusätzlichen
Sauerstoff von der Sauerstoffquelle 26' an den Kathodeneinlass 34' des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern.
Durch selektive Zugabe von zusätzlichem
Wasserstoff und Sauerstoff zu den jeweiligen Anoden- und Kathodenseiten
des Brennstoffzellenstapels 22' kann die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' gesteuert und über dem
vorbestimmten minimalen Wert gehalten werden. Die Zugabe von zusätzlichem Sauerstoff
und/ oder Wasserstoff hat zur Folge, dass die Spannungsgabe des
Brennstoffzellenstapels 22' zunimmt
oder auf einem vorbestimmten minimalen Wert gehalten wird, wenn
der Sauerstoff und Wasserstoff verbraucht werden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugte Leistung
kann dann wiederum abklingen oder abnehmen, bis das Niveau erreicht ist,
bei dem der Controller 48' wiederum
anweist, dass Wasserstoff und Sauerstoff an die jeweiligen Anoden-
und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 22' über das
Ventil 28' und
das Gebläse 38' geliefert werden
muss. Dieser Prozess dauert so lange an, bis ein Normalbetrieb des
Brennstoffzellenstapels 22' gefordert
wird und ein Startbetrieb eingeleitet wird. Alternativ dazu kann
der Controller 48' das Wasserstoffventil 28' und das Gebläse 38' anweisen, einen
stetigen geringen Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff an die jeweiligen
Anoden- und Kathodenseiten des Brennstoffzellenstapels 22' zu liefern,
um damit die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' bei oder oberhalb
eines vorbestimmten minimalen Wertes Zu halten. Bei jedem dieser
Wege wird die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' bei oder oberhalb
eines vorbestimmten minimalen Wertes gehalten, so dass ausreichend
Leistung, die von dem Brennstoffzellenstapel 22' erzeugt wird,
vorhanden ist, um den Controller 48', das Ventil 28' und das Gebläse 38' zu betreiben.
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Wenn
ein Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 22' gefordert wird,
schaltet der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 22' von der Bereitschaftsbetriebsart
auf eine Startbetriebsart um. Während
der Startbetriebsart wirkt der Brennstoffzellenstapel 22' als eine Niederspannungsenergiequelle,
um das Brennstoffzellensystem 20' zu starten. Die Verfügbarkeit
der Niederspannungsenergiequelle ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem 20' unter Verwendung
von einem der Verfahren gestartet werden kann, die oben in Bezug
auf das Brennstoffzellensystem 20' und/oder in Bezug auf das Brennstoffzellensystem 20 beschrieben
sind, wobei die Spannungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 22' anstelle der der
Niederspannungsenergiequelle 46 verwendet wird.
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Demgemäß sieht
die vorliegende Erfindung einen Start eines Brennstoffzellensystems
unter Verwendung eines Niederspannungsgebläses anstelle eines Hochspannungskompressors
vor. Die Verwendung eines Niederspannungsgebläses beseitigt den Bedarf nach
DC/DC-Wandlern, um eine Niederspannungsleistung in eine Hochspannungsleistung
zum Antrieb eines Hochspannungskompressors umzuwandeln. Das Niederspannungsgebläse verringert auch
die Größe der Niederspannungsenergiequelle, die
erforderlich ist, um das Brennstoffzellensystem zu starten. Die
vorliegende Erfindung offenbart auch einen Weg, über den der Brennstoffzellenstapel
als die Niederspannungsenergiequelle verwendet werden kann, so dass
ein Brennstoffzellensystem ohne die Anwesenheit einer anderen Energiequel le,
als der, die durch den Brennstoffzellenstapel gebildet wird, gestartet
und betrieben werden kann.
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Es
sei angemerkt, dass Änderungen
und Abwandlungen der Brennstoffzellensysteme 20, 20' ohne Abweichung
vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Beispielsweise
können
Rückschlagventile 40, 42 durch
computergesteuerte Solenoidventile ersetzt werden. Die Rückschlagventile 40, 42 können auch
durch ein Dreiwegeventil ersetzt werden, das Luftströmung von dem
Gebläse
und dem Kompressor in Einklang bringt. Somit ist die Beschreibung
der Erfindung lediglich beispielhafter Natur, und Abwandlungen,
die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen, sind als innerhalb
des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen
sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
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Zusammengefasst
ist eine Ausführung
eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens zu dessen Betrieb
vorgesehen, die den Start des Brennstoffzellensystems vereinfachen.
Das Brennstoffzellensystem kann ohne die Verwendung von über Batterie
abgeleiteter Hochspannungsleistung, um einen Hochspannungskompressor
anzutreiben, gestartet werden. Die vorliegende Erfindung sieht die
Verwendung eines Niederspannungsgebläses vor, um Sauerstoff an die
Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zu liefern und damit einen
Start des Brennstoffzellenstapels ohne die anfängliche Verwendung eines Hochspannungskompressors
zu ermöglichen. Das
Niederspannungsgebläse
kann von einer Niederspannungsenergiequelle und/oder der von dem Brennstoffzellenstapel
erzeugten Spannung betrieben werden.