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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel
und insbesondere Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellenstapels während abwärts gerichteten Übergängen einer
an den Brennstoffzellenstapel gestellten Leistungsanforderung.
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Brennstoffzellen
sind als eine Energie- bzw. Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge, stationäre Energieversorgungsanlagen
und andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Eine bekannte Brennstoffzelle
ist die PEM-Brennstoffzelle
(d.h. Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran), die eine so
genannte MEA ("Membranelektrodenanordnung") mit einem dünnen Festpolymermembranelektrolyten
umfasst, der eine Anode auf einer Seite und eine Kathode auf der
entgegengesetzten Seite aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen
einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente angeordnet, die
als Stromkollektoren für
die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und Öffnungen darin umfassen können, um
die gasförmigen
Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. H2 und
O2/Luft) über die Oberflächen der
jeweiligen Anode und Kathode zu verteilen.
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PEM-Brennstoffzellen
umfassen eine Vielzahl der MEAs, die in elektrischer Reihe aneinander gestapelt
sind, während
sie voneinander durch ein undurchlässiges elektrisch leitendes
Kontaktelement getrennt sind, das als eine bipolare Platte oder
als ein Stromkollektor bekannt ist. Bei einigen Typen von Brennstoffzellen
umfasst jede bipolare Platte zwei separate Platten, die aneinander
mit einem Fluiddurchgang dazwischen befestigt sind, durch den ein Kühlmittelfluid
strömt,
um Wärme
von beiden Seiten der MEAs zu entfernen. Bei andere Typen von Brennstoffzellen
umfassen die bipolaren Platten sowohl einzelne Platten als auch
aneinander befestigte Platten, die in einem sich wiederholenden
Muster angeordnet sind, wobei zumindest eine Fläche jeder MEA durch ein Kühlmittelfluid
gekühlt
wird, das durch die zwei Platten umfassenden bipolaren Platten strömt.
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Die
Brennstoffzellenstapel sind typischerweise Teil eines Brennstoffzellensystems,
das betrieben wird, um eine an das Brennstoffzellensystem gestellte
Leistungsanforderung zu erfüllen.
Die an das Brennstoffzellensystem gestellte Leistungsanforderung
kann jedoch über
die Zeit aus einer Vielzahl von Gründen variieren. Wenn beispielsweise
das Brennstoffzellensystem eine mobile Plattform ist, wie beispielsweise
ein Fahrzeug, variiert die an das Brennstoffzellensystem gestellte
Leistungsanforderung mit der gewünschten
Beschleunigung und Verlangsamung der mobilen Plattform. Wenn das
Brennstoffzellensystem in einer stationären Anwendung verwendet wird,
variiert die an das Brennstoffzellensystem gestellte Leistungsanforderung
ebenfalls. Wenn beispielsweise ein Ofen, ein Kühlgerät, elektrischer Trockner, etc.
ein- und ausgeschaltet werden, ändert sich
die an das Brennstoffzellensystem gestellte Leistungsanforderung.
In Ansprechen auf die Änderung
der an das Brennstoffzellensystem angelegten Leistungsanforderung
wird die Menge an Anodenreaktand, die an den Brennstoffzellenstapel
geliefert wird, normalerweise so eingestellt, dass die von dem Brennstoffzellenstapel
geforderte Leistungsabgabe erfüllt
wird. Wenn die an das Brennstoffzellensystem gestellte Leistungsanforderung
verringert wird (abwärts
gerichteter Übergang),
wird die Menge an Anoden reaktand, die an den Brennstoffzellenstapel
geliefert wird, verringert, so dass die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels
so abnimmt, damit die an das Brennstoffzellensystem gestellte Leistungsanforderung
etwa angepasst wird.
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Bei
schnellen abwärts
gerichteten Übergängen verringert
sich der Stromfluss durch den Brennstoffzellenstapel jedoch wesentlich
schneller, als der Brennstoffzellenstapel kompensieren kann. Wenn beispielsweise
das System bei einer Hochlast im stationären Zustand betrieben wird,
sind die Anoden- und Kathodendrücke
hoch und die Betriebstemperatur befindet sich in ihrem oberen Betriebsbereich.
Bei einem abwärts
gerichteten Übergang
sinkt die an das Brennstoffzellensystem und den Brennstoffzellenstapel
gestellte Last sehr schnell ab. Idealerweise sollte die Kathodenströmung und
Anodenströmung
wie auch der Systemdruck und die Kühlmitteltemperatur sehr schnell
herunterfahren. Diese verschiedenen Parameter besitzen jedoch stark
unterschiedliche physikalische Zeitbeschränkungen. Somit kann die Last
nahezu augenblicklich abfallen, während die Anoden- und Kathodenströmungen mehrere
Sekunden benötigen
und das Kühlmittel
erheblich länger
brauchen kann, um auf den neuen Betriebszustand abzufallen.
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Diese
Verzögerung
beim Einstellen dieser verschiedenen Parameter auf die neue an den Brennstoffzellenstapel
gestellte, verringerte Leistungsanforderung kann potentiell einen
Schaden an den einzelnen Brennstoffzellen und/oder dem Brennstoffzellenstapel
bewirken, was in einem augenblicklichen Ausfall des Brennstoffzellenstapels
und/oder einer verringerten Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels
resultieren kann. Somit wäre
es vorteilhaft, das Brennstoffzellensystem auf eine Art und Weise
zu betrei ben, die die Gefahr eines Schadens an den Brennstoffzellen
und/oder an dem Brennstoffzellenstapel bei abwärts gerichteten Übergängen in der
an das Brennstoffzellensystem gestellten Leistungsanforderung verhindert
oder minimiert.
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Die
Erfinder haben entdeckt, dass bei den oben beschriebenen abwärts gerichteten Übergängen zwei
wichtige Bedingungen auftreten, die den Brennstoffzellenstapel schädigen können und/oder die
Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verringern können. Genauer
kann in dem Druckunterschied zwischen den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern
eine Spitze entstehen, und die relative Feuchte der Membran in den
Brennstoffzellen kann auf ein Niveau absinken, das zur Folge hat,
dass die Membrane trockener werden.
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Die
Spitze in dem Druckunterschied wird durch die plötzliche Verringerung der an
den Brennstoffzellenstapel gestellten Last bewirkt. Wenn die Last
abrupt abfällt,
fällt auch
die Menge an Wasserstoff in den Anodenströmungsfeldern, die verbraucht wird,
abrupt ab. Dies ist auf den von der Anoden- zu der Kathodenseite
durch die Membran strömenden Wasserstoff
und die elektrische Last zurückzuführen. Somit
ist die plötzliche
Abnahme des Stromflusses durch den Brennstoffzellenstapel äquivalent
zu einem augenblicklichen Abschalten oder Verringern einer Anodenauslassströmung. Zusätzlich kann
die Steuereinheit für
die Wasserstoffströmung
bis zu einer Sekunde benötigen,
um die Wasserstoffströmung tatsächlich abzuschalten,
und zudem ist der Wasserstoff in der Anodenströmung Trägheit ausgesetzt. Die Kombination
aus dem schnell abschaltenden Wasserstoffauslass und der eine längere Zeitdauer
zum Abschalten benötigenden
Wasserstoffeinlassströmung
bewirkt eine Spitze oder Erhö hung
des Anodendruckes auf der Anodenseite der Brennstoffzellen. Auf
der Kathodenseite läuft
die Kathodenströmung
ohne Abnahme weiter, während
auch eine Verringerung oder Beendigung der Menge an Wasserstoff,
die von der Anodenseite zu der Kathodenseite durch die Membran strömt, und
der elektrischen Last auftritt. Die Verringerung der Menge an Wasserstoff, die
an die Kathodenseite strömt,
bewirkt eine Verringerung des Druckes auf den Kathodenseiten der Brennstoffzellen.
Somit bewirkt der schnelle abwärts gerichtete Übergang
in der an den Brennstoffzellenstapel gestellten Leistungsanforderung
eine Spitze in dem Anodendruck und eine Verringerung in dem Kathodendruck,
was zu einem Druckunterschied führt, der
abhängig
von der Größe für die Brennstoffzellen und
den Brennstoffzellenstapel nachteilig bzw. schädlich sein kann.
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Der
Abfall der relativen Feuchte während
des schnellen abwärts
gerichteten Übergangs
in der an den Brennstoffzellenstapel und das Brennstoffzellensystem
gestellten Leistungsanforderung ist ein Resultat zumindest drei
verschiedener Ereignisse. Das erste besteht darin, dass, wenn die
Reaktion zum Verbrauchen von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel
aufgrund der schnellen Verringerung des durch den Stapel erzeugten
Stroms stoppt, die Rate, mit der Wasser in den Kathodenströmungsfeldern
erzeugt wird, verringert wird. Somit wird weniger Wasser gebildet
und ist somit weniger Wasser zur Befeuchtung des Kathodengases verfügbar. Das
zweite Resultat ist der Abfall des Druckes in den Kathodenströmungsfeldern.
Wenn der Druck abfällt,
kann das Kathodengas mehr Wasserdampf speichern. Somit resultiert
der plötzliche
Druckabfall in den Kathodenströmungsfeldern
in einer Verringerung der relativen Feuchte, da die Kapazität des Kathodengases
zum Speichern der Feuchte erhöht
worden ist, während
die Menge an Wasserdampf beibehalten oder verringert worden ist.
Das dritte Ereignis ist die langsame Verringerung der Temperatur.
Wenn der Brennstoffzellenstapel und das Brennstoffzellensystem bei
hohen Lasten betrieben werden, ist die Temperatur, bei der diese
arbeiten, ebenfalls hoch oder gelangt zu dem oberen Ende des Betriebsbereichs.
Wenn die Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel und
das System abnimmt, nimmt die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Wärme ab und
die Temperatur des Stapels nimmt als Folge des durch den Brennstoffzellenstapel
strömenden
Kühlmittels
ab. Die Temperaturverringerung des Kathodengases verringert die
Menge an Wasserdampf, die das Gas speichern kann, und hilft somit, die
relative Feuchte in dem Stapel zu erhöhen. Die Temperaturreaktion
ist jedoch eine erheblich langsamere Reaktion als die anderen Änderungen
in dem Stapel aufgrund des abwärts
gerichteten Übergangs in
der Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel und das Brennstoffzellensystem.
Somit resultiert, während
die abnehmende Temperatur hilft, die Verringerung der relativen
Feuchte zu minimieren, die langsame Reaktion in einer Zeitdauer,
in der die beiden anderen Ereignisse dominieren und die relative
Feuchte in dem Stapel auf ein Niveau abfällt, das potentiell einen Schaden
an der Membran bewirken und die Nutzlebensdauer des Brennstoffzellenstapels
verringern kann. Somit hat die geringe Wassererzeugung, die Abnahme
des Kathodendruckes wie auch die höhere Kathodentemperatur (bis
sie gekühlt wird)
ein Auftreten einer niedrigen relativen Feuchte zur Folge, die für den Brennstoffzellenstapel
potentiell nachteilig ist.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels
und -systems vor, das die Wahrscheinlichkeit minimiert, dass zwischen
den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern
eine große Druckdifferenz
auftritt, und das Auftreten einer niedrigen relativen Feuchte in den
Kathodenströmungsfeldern
minimiert. Dies wird dadurch erreicht, dass der abwärts gerichtete Übergang
in der Leistungsanforderung, die an den Brennstoffzellenstapel gestellt
ist, abgemildert wird. Der abwärts
gerichtete Übergang
in der Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel wird dadurch
abgemildert, dass die Rate verringert wird, mit der die von dem
Brennstoffzellenstapel erzeugte Leistung verringert wird, und die
von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte überschüssige Leistung an parasitäre Komponenten
des Brennstoffzellensystems geliefert wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
mit einem Brennstoffzellenstapel offenbart, der dazu dient, einen
elektrischen Strom zu erzeugen. Das Verfahren umfasst, dass: (1)
eine Leistungsabgabe mit dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, um
eine an das Brennstoffzellensystem gestellte Leistungsanforderung
zu erfüllen;
(2) eine Abnahme der Leistungsanforderung erfasst wird; (3) eine überschüssige Leistungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels an eine Komponente des Brennstoffzellensystems
geführt
wird; und (4) die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels verringert
wird, um die an das Brennstoffzellensystem gestellte verringerte Leistungsanforderung
zu erfüllen.
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Bei
einem anderen Aspekt gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Managen einer Druckdifferenz
zwischen Anoden- und Kathodenströmungsfeldern
in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems während eines
abwärts
gerichteten Übergangs in
einer an das Brennstoffzellensystem gestellten Leistungsanforde rung
offenbart. Das Verfahren umfasst, dass: (1) eine Abnahme der Leistungsanforderung
erfasst wird; (2) eine überschüssige Leistungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels an eine Komponente des Brennstoffzellensystems
geführt
wird; und (3) eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels allmählich verringert
wird, um die an das Brennstoffzellensystem gestellte verringerte
Leistungsanforderung zu erfüllen,
während
eine Druckdifferenz zwischen den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern
unterhalb eines vorbestimmten Wertes gehalten wird.
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Bei
einem noch weiteren Aspekt gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Beibehalten einer relativen
Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems
in einem vorbestimmten Bereich während eines
abwärts
gerichteten Übergangs
in einer an das Brennstoffzellensystem gestellten Leistungsanforderung
offenbart. Das Verfahren umfasst, dass: (1) eine Abnahme der Leistungsanforderung
erfasst wird; (2) eine überschüssige Leistungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels an eine Komponente des Brennstoffzellensystems
geführt
wird; und (3) eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels allmählich verringert
wird, um die an das Brennstoffzellensystem gestellte verringerte
Leistungsanforderung zu erfüllen,
während
eine relative Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel in dem vorbestimmten
Bereich beibehalten wird.
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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 Veran schaulichung 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 isometrische Explosionsdarstellung eines flüssigkeitsgekühlten PEM-Brennstoffzellenstapels
ist (es sind nur zwei Zellen gezeigt);
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2 eine
schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem
Brennstoffzellenstapel wie beispielsweise dem, der in 1 gezeigt ist,
ist; und
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3 ein
Schaubild ist, das das Ansprechen verschiedener Parameter eines
Brennstoffzellenstapels während
eines abwärts
gerichteten Übergangs nach
dem Stand der Technik in einer an den Brennstoffzellenstapel gestellten
Leistungsanforderung zeigt.
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter
Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw.
ihren Gebrauch zu beschränken.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist in den 1 und 2 ein
beispielhafter Brennstoffzellenstapel 18 und ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 19 gezeigt,
in denen die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. 1 zeigt
zwei einzelne Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM-Brennstoffzellen),
die miteinander verschaltet sind, um einen Stapel 18 zu
bilden, der ein Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 20, 22 aufweist,
die voneinander durch ein elektrisch leitendes, flüssigkeitsgekühltes leitendes Element 24 einer
bipolaren Separatorplatte getrennt sind. Eine einzelne Brennstoffzelle,
die nicht in einem Stapel in Reihe verschaltet ist, besitzt eine
Separatorplatte 24 mit einer einzelnen elektrisch aktiven
Seite. In einem Stapel besitzt eine bevorzugte bipolare Separatorplatte 24 typischerweise
zwei elektrisch aktive Seiten 26, 28 in dem Stapel,
wobei jede aktive Seite 26, 28 jeweils zu einer
separaten MEA 20, 22 mit entgegengesetzter Ladung
weist und die getrennt sind, daher die so genannte "bipolare" Platte.
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Die
MEAs 20, 22 und die bipolare Platte 24 sind
zwischen Klemmanschlussplatten 30, 32 aus rostfreiem
Stahl und Endkontaktfluidverteilungselementen 34, 36 aneinander
gestapelt. Die Endfluidverteilungselemente 34, 36 wie
auch beide Arbeitsflächen
oder -seiten 26, 28 der bipolaren Platte 24 umfassen
eine Vielzahl von Stegen benachbart Nuten oder Kanälen an den
aktiven Seiten 38, 40, 26, 28, 42 und 44 und
bilden Strömungsfelder
zur Verteilung von Anoden- und Kathodenreaktanden (d.h. H2 und O2/Luft) an
die MEAs 20, 22. Nichtleitende Flächendichtungen
oder Dichtungselemente 48, 50, 52, 54, 56 und 58 sehen
Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Für Gas durchlässige leitende
Diffusionsmedien 60, 62, 64 und 66 werden
an die Elektrodenseiten der MEAs 20, 22 gepresst.
Zusätzliche
Schichten leitender Medien 68, 70 sind zwischen
den Endkontaktfluidverteilungselementen 34, 36 und
den Anschlusskollektorplatten 30, 32 angeordnet,
um einen leitenden Pfad dazwischen vorzusehen, wenn der Stapel bei
normalen Betriebsbedingungen gepresst wird. Die Endkontaktfluidverteilungselemente 34, 36 werden
an die Diffusionsmedien 60, 68 bzw. 66, 70 gepresst.
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Der
Kathodenreaktand in der Form von O2/Luft
wird an die Kathodenströmungsfelder
des Brennstoffzellenstapels 18 von einem Speichertank oder
von der Umgebung über
eine geeignete Versorgungsverrohrung 74 geliefert. Ähnlicherweise
wird Anodenreaktand in der Form von H2 an
die Anodenströmungsfelder
des Brennstoffzellenstapels 18 von einem Speichertank,
einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen über eine
geeignete Versorgungsverrohrung 78 geliefert. Die Austragsverrohrung 80, 81 für die Anoden-
und Kathodenabflüsse,
die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenströmungsfeldern des Brennstoffzellenstapels 18 erzeugt
werden, sind ebenfalls vorgesehen. Zusätzlich ist eine Versorgungsverrohrung 82 vorgesehen,
um Kühlmittel
durch die bipolaren Platten 24 und Endplatten 34, 36 und über die
Austragsverrohrung 86 nach außen umzuwälzen.
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In 2 ist
ein typisches Brennstoffzellensystem 19 gezeigt, mit dem
die vorliegende Erfindung verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem 19 umfasst
eine Steuereinheit 90, die den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 18 und
der anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems 19 steuert.
Der Brennstoffzellenstapel 18 wird betrieben, um eine Leistungsabgabe
vorzusehen, die eine an das Brennstoffzellensystem 19 gestellte
Leistungsanforderung erfüllt,
und um die Leistung vorzusehen, die erforderlich ist, um die anderen
Komponenten des Brennstoffzellensystems 19 zu betreiben.
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Einige
der anderen Komponenten in dem Brennstoffzellensystem 19 umfassen
eine Anodenumwälzpumpe 92,
die durch einen Elektromotor 94 angetrieben wird und zwischen
einer Verrohrung 80 für
Anodenabfluss und einer Verrohrung 78 für die Anodenreaktandenversorgung über eine
geeignete Verrohrung 96 verbunden ist. Die Umwälzpumpe 92 dient
dazu, einen Anteil an Anodenabfluss durch die Anodenabflussverrohrung 80 zu
pumpen und diesen zurück
in die Verrohrung 78 zur Anodenreaktandenversorgung umzuwälzen, so
dass er durch die Anodenströmungsfelder
des Brennstoffzellenstapels 18 geführt werden kann.
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Das
Kühlmittelversorgungssystem
für das Brennstoffzellensystem 19 umfasst
eine Kühlmittelpumpe 100,
die durch einen Elektromotor 102 betrieben wird. Das Kühlmittelversorgungssystem
umfasst auch einen Kühler
oder Wärmetauscher 104,
durch den Kühlmittel
strömt,
und ein Gebläse 106,
das durch einen Elektromotor 108 betrieben wird und Luft über den
Kühler 104 drängt, um
Wärme von
dem hindurch strömenden
Kühlmittel
zu entfernen. Die Kühlmittelpumpe 100 und
der Kühler 104 sind
zwischen der Kühlmittelversorgungsverrohrung 82 und
der Kühlmittelaustrittsverrohrung 86 positioniert,
um einen Kühlmittelkreislauf
zu bilden, durch den das Kühlmittel
strömt,
um Wärme
von dem Brennstoffzellenstapel 18 zu entfernen.
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Das
Brennstoffzellensystem 19 kann auch Startheizeinrichtungen 110 umfassen,
die in dem Brennstoffzellenstapel 18 angeordnet sind. Da
die Brennstoffzellenstapel bevorzugt bei Temperaturen oberhalb Umgebungstemperaturen,
beispielsweise 60°C
und darüber,
arbeiten, ist es wichtig, den Stapel 18 so bald wie möglich nach
dem Start aufzuwärmen. Ein
schnelles Aufheizen des Stapels auf die normale Betriebstemperatur
nach dem Start verbessert die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems
und verlängert
auch die Lebensdauer des Stapels. Startheizeinrichtungen 110 dienen
dazu, Stapelabwärme während eines
Kaltstarts zu ergänzen.
Stapelheizeinrichtungen 110 sind typischerweise Widerstandsheizelemente
in den Stapelendplatten 30 und 32 oder in der
Kühlmittelversorgungsverrohrung 82.
Beim Kaltstart schaltet die Steuereinheit 90 ein Relais
an, das die Heizeinrichtungen 110 elektrisch parallel zu den
Leistungsabgabeanschlüssen
des Stapels und der Speichervorrichtung 120 schaltet. Ein
Anteil des Stapelstroms gelangt durch die Heizeinrichtungen 110.
Die zusätzliche
Wärme in
dem Stapel 18 bringt den Stapel 18 schneller auf
seine normale Betriebstemperatur, als ein System, das keine Startheizeinrichtungen
verwendet.
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Wahlweise
kann das Brennstoffzellensystem 19 auch eine Energiespeichervorrichtung 120 umfassen,
wie beispielsweise eine Batterie oder Kondensatoren, wie beispielsweise
Ultra Caps, die von Maxwell Technologies, Teilenummer PC2500 (2,5V,
2700 Farad, 625 Nennampere) erhältlich
ist. Die Verwendung einer Energiespeichervorrichtung 120 in
dem Brennstoffzellensystem 19 wird typischerweise nur bei
Brennstoffzellensystemen 19 durchgeführt, die in Verbindung mit
einer mobilen Hybridplattform verwendet werden, wie beispielsweise
einem Elektrofahrzeug. Die Energiespeichervorrichtung(en) 120 kann
bzw. können
dadurch geladen werden, dass das elektrische Fahrzeug an eine Energiequelle
angeschlossen wird, wie beispielsweise an eine 120 V-Steckdose in
einer Garage, und zur späteren
Verwendung beim Betrieb des Elektrofahrzeugs geladen werden. Im
Betrieb des Elektrofahrzeugs kann bzw. können die Energiespeichervorrichtung(en) 120 auch über regeneratives
Bremsen und dergleichen geladen werden. Bei Verwendung in Verbindung
mit einem Brennstoffzellensystem 19 anstelle eines Verbrennungsmotors
kann das Brennstoffzellensystem 19 überschüssige Leistung an die Energiespeichervorrichtung 120 liefern,
wie nachfolgend beschrieben ist. Es sei jedoch zu verstehen, dass
bei einer mobilen Plattform, die vollständig durch ein Brennstoffzellensystem 19 betrieben
wird, die Anwesenheit größerer Energiespeichervorrichtungen 120 ungeeignet
ist und somit diese zur Verwendung beim Speichern größerer Überschussleistung,
die durch den Brennstoffzellenstapel 18 und das Brennstoffzellensystem 19 erzeugt
wird, nicht verfügbar
sind.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 19 in Perioden
von abwärts
gerichteten Übergängen in
der an das Brennstoffzellensystem 19 und den Brennstoffzellenstapel 18 angelegten
Leistungsanforderung gerichtet. Genauer betrifft die vorliegende
Erfindung das Aufrechterhalten eines Druckunterschieds zwischen
den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern
in dem Brennstoffzellenstapel 18 unterhalb eines vorbestimmten
Maximalwertes und das Beibehalten der relativen Feuchte in dem Kathodenströmungsfeld
innerhalb eines vorbestimmten Bereiches. Die maximale Druckdifferenz
zwischen den Anoden- und
Kathodenströmungsfeldern
variiert auf Grundlage der Konstruktion des Brennstoffzellenstapels 18. Genauer
beeinflusst der Typ der MEAs und der Stützstrukturen darin die zulässige Druckdifferenz,
die an entgegengesetzten Seiten der MEA auftreten kann, ohne die
Membrane zu schädigen
oder die Nutzlebensdauer der Membrane zu verringern. Ähnlicherweise
variiert die relative Feuchte, die beibehalten werden muss, damit
die MEAs nicht austrocknen, ebenfalls abhängig von der Konstruktion der
MEAs.
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In 3 ist
ein Schaubild verschiedener Parameter des Brennstoffzellensystems 19 und
des Brennstoffzellenstapels 18 bei Betrieb durch herkömmliche
Betriebsverfahren (nach dem Stand der Technik) während eines abwärts gerichteten Übergangs
in einer an das Brennstoffzellensystem 19 und den Brennstoffzellenstapel 18 angelegten
Leistungsanforderung gezeigt. In dem Schaubild ist der elektrische
Strom, der durch den Brennstoffzelle 18 erzeugt wird, durch
die Kurve 132 dargestellt. Die Auslassdrücke in den
jeweiligen Anoden- und Kathodenströmungsfeldern werden durch die
jeweiligen Kurven 134, 136 dargestellt. Die relative
Feuchte in den Kathodenströmungsfeldern
des Brennstoffzellenstapels 18 wird durch die Kurve 138 dargestellt.
Schließlich wird
die Temperatur des den Brennstoffzellenstapel 18 verlassenden
Kühlmittels
durch die Kurve 140 dargestellt.
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Wie
oben beschrieben ist, wird bei einem abwärts gerichteten Übergang
in einer an ein Brennstoffzellensystem 19 und einen Brennstoffzellenstapel 18 gestellten
Leistungsanforderung der von dem Brennstoffzellenstapel 18 erzeugte
Strom schnell abfallen, um die an das Brennstoffzellensystem 19 und den
Brennstoffzellenstapel 18 gestellte verringerte Leistungsanforderung
zu erfüllen.
Wie in dem Schaubild gezeigt ist, besitzt die Stromkurve 132 während eines
typischen abwärts
gerichteten Übergangs
eine scharfe Abnahme in ihrem Niveau. Als Folge dieses schnellen
abwärts
gerichteten Übergangs
in dem Stromfluss, der durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugt
wird, tritt eine Spitze in dem Druckunterschied zwischen den Anoden-
und Kathodenströmungsfeldern
auf, wie oben beschrieben ist. Die Spitze ist deutlich durch die
Höhendifferenz
zwischen der Kurve 134 des Drucks des Anodenströmungsfeldes und
der Kurve 136 des Drucks des Kathodenströmungsfeldes
während
der Zeitdauer zu sehen, in der die Stromkurve 132 schnell
abfällt.
Wie gezeigt ist, befinden sich die Kurven 134 und 136 allgemein nahe
aneinander mit kleinen Abweichungen dazwischen, und wenn der Stromfluss
dramatisch abfällt, tritt
eine Spitze in dem Anodenströmungsfelddruck auf,
während
der Kathodenströmungsfelddruck
abnimmt. Der Druckunterschied wird nach einer Zeitdauer niedriger,
wenn sich der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 18 auf
einen neuen stationären
Betriebszustand stabilisiert hat. Diese Spitze im Druckunterschied,
wie oben beschrieben ist, ist unerwünscht und kann die Membrane
reißen
lassen oder beschädigen
und die Nutzlebensdauer des Brennstoffzellenstapels 18 verringern. Ähnlicherweise
ist, wenn der durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugte
Strom schnell abnimmt, die relative Feuchte, wie in Kurve 138 gezeigt
ist, ebenfalls einer plötzlichen
Abnahme ausgesetzt, bevor sie nach einer Zeitdauer zu einem akzeptablen
Niveau zurückkehrt,
sobald der Brennstoffzellenstapel 18 einen neuen stabilen
Betriebszustand erreicht hat. Dieser plötzliche Abfall der relativen
Feuchte in den Kathodenströmungsfeldern
kann die MEA austrocknen und schädigen,
wodurch die Nutzlebensdauer des Brennstoffzellenstapels 18 verringert
wird. Die Temperatur des den Brennstoffzellenstapel 18 verlassenden
Kühlmittels,
wie in Kurve 140 zu sehen ist, besitzt ein wesentlich langsameres
Ansprechen auf die Abnahme des durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugten Stromes.
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Um
die Spitze im Druckunterschied zwischen den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern und
den Abfall der relativen Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel 18 zu
vermeiden, betreibt die vorliegende Erfindung den Brennstoffzellenstapel 18 derart,
dass die Abnahme der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 über eine
längere
Zeitdauer ausgedehnt wird, wodurch ein glatterer Übergang
zwischen der ursprünglichen
Leis tungsanforderung und der an das Brennstoffzellensystem 19 gestellten
verringerten Leistungsanforderung ermöglicht wird. Um dies zu erreichen,
wird der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 18 fortgesetzt,
um Strom über
den hinaus zu erzeugen, der von dem Brennstoffzellensystem 19 gefordert
wird, wobei der Brennstoffzellenstapel 18 die überschüssige Leistung
an andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 19 lenkt.
Die durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugte Leistung
wird dann allmählich
in einer gesteuerten Art und Weise verringert, die eine Spitze in
dem Druckunterschied über
einem vorbestimmten maximal zulässigen
Wert minimiert und/oder verhindert und die relative Feuchte innerhalb
eines akzeptablen Betriebsbereichs beibehält.
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Die überschüssige Leistung,
die durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugt wird, wenn
seine Leistungsabgabe verringert wird, um die an das Brennstoffzellensystem 19 gestellte
verringerte Leistungsanforderung zu erfüllen, wird bevorzugt zuerst für den Betrieb
eines Motors 102 einer Kühlmittelpumpe verwendet. Dies
bedeutet, dass die überschüssige Leistung
bevorzugt zunächst
an den Motor 102 der Kühlmittelpumpe
geführt
wird, und, wenn ausreichend überschüssige Leistung
vorhanden ist, der Kühlmittelpumpenmotor 102 mit
seiner maximalen Einstellung betrieben wird. Der Kühlmittelpumpenmotor 102 verbraucht
dann zumindest einen Anteil der von dem Brennstoffzellenstapel 18 erzeugten überschüssigen Energie,
wodurch die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 mit
einer langsameren Rate verringert werden kann, die die Betriebsparameter
des Brennstoffzellenstapels 18 in Soll-Bereichen beibehält. Zusätzlich unterstützt durch
Lenken der überschüssigen Leistung
zunächst an
den Kühlmittelpumpenmotor 102 die
erhöhte
Strömungsrate
des Kühlmittels
durch den Brennstoffzellenstapel 18 eine schnellere Verringerung
der Temperatur in den Kathodenströmungsfeldern, wodurch die Kapazität der Kathodengase
zum Speichern von Wasser verringert und die relative Feuchte in
den Kathodenreaktandenströmungskanälen erhöht wird.
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Weiters
ist es bevorzugt, jegliche verbleibende überschüssige Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 an
den Kühlergebläsemotor 108 zu führen. Wenn
ausreichend überschüssige Leistung verfügbar ist,
ist es bevorzugt, dass der Kühlergebläsemotor 108 mit
seiner maximalen Einstellung betrieben wird. Wiederum kann durch
Lieferung von überschüssiger Leistung,
die von dem Brennstoffzellenstapel 18 erzeugt wird, an
den Kühlergebläsemotor 108 die
Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 mit einer
langsameren Rate und auf eine gesteuerte Art und Weise verringert
werden, die verhindert, dass die Druckdifferenz ihren zulässigen Wert überschreitet,
und die relative Feuchte in dem gewünschten Bereich beibehält. Ferner
unterstützt
eine Erhöhung
der Drehzahl des Kühlergebläses 106 eine Erhöhung der
Rate, mit der Wärme
von dem Brennstoffzellenstapel 18 entnommen wird, wodurch
die Temperatur in den Kathodenströmungsfeldern schneller abgesenkt
wird und hilft, die relative Feuchte in den Kathodenströmungsfeldern
in dem gewünschten
Bereich zu erhöhen
oder beizubehalten.
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Wenn
weiters immer noch durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugte überschüssige Leistung vorhanden
ist, die nicht durch den Kühlmittelpumpenmotor 102 und
den Kühlergebläsemotor 108 verbraucht
wird, wird die überschüssige Leistung
bevorzugt an Endplattenheizeinrichtungen 110 in dem Brennstoffzellenstapel 18 und/oder
andere Kaltstarteinrichtungen in dem Brennstoffzellensystem 19 geführt. Diese
Option ist weniger wünschenswert,
da sie zur Folge hat, dass mehr Wärme zurück in den Brennstoffzellenstapel 18 zugeführt wird,
obwohl dieser versucht, seine Temperatur auf eine neue niedrigere
Betriebstemperatur zu verringern, die der gewünschten Verringerung der Leistungsabgabe
des Brennstoffzellenstapels 18 entspricht. Jedoch werden
die Nachteile der Lieferung der überschüssigen Leistung
an die Startheizeinrichtungen durch die Vorteile ausgeglichen, die
durch die Beibehaltung der Druckdifferenz unterhalb des maximal
zulässigen Wertes
und die Beibehaltung der relativen Feuchte in dem gewünschten
Betriebsbereich erreicht werden.
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Schließlich kann
jegliche verbleibende überschüssige Leistung
an andere parasitäre
Komponenten in dem Brennstoffzellensystem 19 geliefert
werden, die toleriert werden können.
Beispielsweise kann verbleibende überschüssige Leistung an einen Motor 94 einer
Anodenumwälzpumpe
geführt
werden. Es sei jedoch angemerkt, dass dies abhängig von den Betriebsbedingungen
und der spezifischen Konstruktion des Brennstoffzellenstapels eine
Erhöhung
des Drucks in den Anodenströmungsfeldern
zur Folge haben kann und somit nicht unbedingt erwünscht ist.
Andere Beispiele parasitärer
Komponenten können
Brennstoffprozessoren, Brenner, Heizeinrichtungen darin und Reaktoren,
die mit diesen anderen Komponenten verwendet werden, umfassen.
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Somit
wird, wenn ein Brennstoffzellensystem 19 und Brennstoffzellenstapel 18 gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung betrieben werden, ein abwärts gerichteter Übergang
in einer an das Brennstoffzellensystem 19 gestellten Leistungsanforderung
dadurch erfüllt,
dass die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 allmählich verringert wird
und durch den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugte überschüssige Leistung
an andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 19 geliefert
wird.
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Dies
erlaubt, dass die Verringerung der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 über eine
längere
Zeitperiode ausgedehnt werden kann und ermöglicht den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 18,
um Spitzen in der Druckdifferenz zwischen den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern
zu vermeiden, die den vorbestimmten zulässigen Wert überschreiten,
und hält
die relative Feuchte in dem Brennstoffzellenstapel 18 innerhalb
eines vorbestimmten Bereiches. Zusätzlich wird die überschüssige Leistung
in einer Hierarchie durch die anderen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 18 geführt, die
eine weitere Verringerung der Wahrscheinlichkeit eines Schadens
an dem Brennstoffzellenstapel 18 und dem Brennstoffzellensystem 19 unterstützt.
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Es
sei angemerkt, dass, während
das Brennstoffzellensystem 19 bevorzugt so betrieben wird, dass überschüssige Leistung
durch andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 19 in
einer vorbereiteten Hierarchie geführt wird, die Abfolge oder Hierarchie
auf Grundlage eines gewünschten
Betriebs des Brennstoffzellensystems 19 eingestellt werden
kann. Somit ist diese Hierarchie lediglich beispielhaft für das vorliegende
Verfahren, und das Verfahren ist nicht auf die hier offenbarte Hierarchie
beschränkt.
Ferner sei angemerkt, dass auch andere Komponenten des Brennstoffzellensystems 19 mit durch
den Brennstoffzellenstapel 18 erzeugter überschüssiger Leistung
versorgt werden können.
Wenn beispielsweise das Brennstoffzellensystem 19 eine Energiespeichervorrichtung 120 umfasst,
kann die von dem Brennstoffzellenstapel 18 erzeugte überschüssige Leistung
an die Energiespeichervorrichtung 120 zur späteren Verwendung
in dem Elektrofahrzeug geführt
werden, in dem das Brennstoffzellensystem 19 und die Energiespeichervorrichtung 120 angeordnet
sind. Es sei zu verstehen, dass Energiespeichervorrichtungen 120 teuer
sind und erheblich zu dem Gewicht des Brennstoffzellensystems 19 beitragen
können.
Somit ist anzumerken, dass eine Energiespeichervorrichtung 120 nicht
immer verfügbar
ist, und wenn eine Energiespeichervorrichtung verfügbar ist,
diese nicht unbedingt so ausgebildet sein muss, dass sie eine größere Menge
an von dem Brennstoffzellenstapel 18 erzeugter überschüssiger Leistung
so aufnehmen kann, dass diese bei der Verlängerung der Zeitdauer nützlich ist,
innerhalb der die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 18 verringert
wird.
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Zusammengefasst
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffzellenstapels und eines Brennstoffzellensystems, das die
Wahrscheinlichkeit eines großen Druckunterschiedes
zwischen den Anoden- und Kathodenströmungsfeldern und das Auftreten
einer niedrigen relativen Feuchte in den Kathodenströmungsfeldern
minimiert. Dies wird dadurch erreicht, dass der abwärts gerichtete Übergang
der an dem Brennstoffzellenstapel gestellten Leistungsanforderung
abgemildert wird. Der abwärts
gerichtete Übergang
in der Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel wird dadurch
abgemildert, dass die Rate verringert wird, mit der die durch den
Brennstoffzellenstapel erzeugte Leistung verringert wird, und indem
die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte überschüssige Leistung an andere parasitäre Komponenten
des Brennstoffzellensystems geliefert wird.