DE102007034300A1

DE102007034300A1 - Strömungsumschaltung von Kühlmittel beim Gefrierstart, um eine Stapelhaltbarkeit und einen Schnellstart zu unterstützen

Info

Publication number: DE102007034300A1
Application number: DE102007034300A
Authority: DE
Inventors: Yan Zhang; John C. Fagley
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2027-07-25
Also published as: DE102007034300B4; US7749632B2; US20080026274A1

Abstract

Ein Zusatzkühlmittelsystem für ein Brennstoffzellenstapelsystem umfasst eine reversible Kühlmittelpumpe, ein Steuerventil und Rohrleitungen. Die Pumpe ermöglicht die Umkehr der Kühlmittelströmungsrichtung in dem Brennstoffzellenstapelsystem. Das Zusatzkühlmittelsystem ist parallel zu dem Primärkühlmittelsystem angeordnet und steht über Ventile mit dem Primärkühlmittelsystem in Verbindung. Beim Start ist, wenn die Kühlmittelströmung durch das Brennstoffzellenstapelsystem von rechts nach links erfolgt, ein Ventil des Primärkühlmittelsystems teilweise offen und steuert die Menge an kalter Kühlmittelzugabe von dem Primärkühlmittelsystem zu dem Brennstoffzellenstapel, während das Ventil des Zusatzkühlmittelsystems die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels steuert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere Kühlmittelsysteme für Brennstoffzellenstapelsysteme.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom PEM-Typ wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert, und Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer ihrer Seiten den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente angeordnet, die manchmal als die Gasdiffusionsmedium-(DM)-Komponenten bezeichnet sind und die: (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen; (2) geeignete Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten; (3) Produktwasserdampf oder flüssiges Wasser von der Elektrode an Strömungsfeldkanäle entfer nen; (4) zur Wärmeabweisung wärmeleitend sind; und (5) eine mechanische Festigkeit besitzen. Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (beispielsweise einen Stapel) zu bezeichnen. Gewöhnlich werden viele einzelne Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden gewöhnlich in Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene MEA, und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement.
In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff), und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (einer Mischung aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Diese Membranelektrodenanordnungen sind relativ teuer herzustellen und erfordern für einen effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement wie auch eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO), umfassen.
Beispiele der Technologie in Verbindung mit Brennstoffzellensystemen vom PEM-Typ und anderen damit in Verbindung stehenden Typen können unter Bezugnahme auf die gemeinsam übertragenen U.S. Patente Nrn. 3,985,578 von Witherspoon et al.; 5,272,017 von Swathirajan et al.; 5,624,769 von Li et al.; 5,776,624 von Neutzler; 6,103,409 von DiPierno Bosco et al.; 6,277,513 von Swathirajan et al.; 6,350,539 von Woods, III et al.; 6,372,376 von Fronk et al.; 6,376,111 von Mathias et al.; 6,521,381 von Vyas et al.; 6,524,736 von Sompalli et al.; 6,528,191 von Senner; 6,566,004 von Fly et al.; 6,630,260 von Forte et al.; 6,663,994 von Fly et al.; 6,740,433 von Senner; 6,777,120 von Nelson et al.; 6,793,544 von Brady et al.; 6,794,068 von Rapaport et al.; 6,811,918 von Blunk et al.; 6,824,909 von Mathias et al.; U.S. Patentanmeldung Veröffentlichungsnrn. 2004/0229087 von Senner et al.; 2005/0026012 von O'Hara; 2005/0026018 von O'Hara et al.; und 2005/0026523 von O'Hara et al. gefunden werden, wobei die gesamten Beschreibungen von allen hier ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Bei dem Start des Brennstoffzellenstapels unter Null muss zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Strom eines unter Null befindlichen Kühlmittels in den Stapel eingeführt werden, um eine Überhitzung der Stapel-MEA zu vermeiden. Das strömende kalte Kühlmittel wird durch die von dem Stapel erzeugte Abwärme erhitzt. Um ein Abschrecken des Stapels zu vermeiden, wird Kühlmittel allgemein mit einer relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit oder über eine Kühlmittelpulsierung eingeführt, um eine schlechte Verteilung der Kühlmittelströmung zu vermeiden. Eine derartige Betriebsstrategie kann eine große Temperaturschwankung entlang des Kanals innerhalb einer Zelle bewirken, da der kalte Kühlmittelstrom den Abschnitt der Platte in der Nähe des Kühlmitteleinlasses abschreckt, während die Menge an Kühlmittel nicht ausreichend Kühlkapazität besitzt, um die Temperatur der Platte in der Nähe des Kühlmittelauslasses zu steuern. Beispielsweise ist eine Temperaturschwankung von mehr als 50°C entlang der Bipolarplatte bei Experimenten für derartige Startbetriebsabläufe häufig beobachtet worden. Experimentelle Ergebnisse scheinen zu zeigen, dass, wenn Kühlmittel ein Gebiet des Stapels in der Nähe des Kühlmitteleinlasses zu stark kühlt, die Stromdichte von dem kalten Abschnitt zu dem warmen Abschnitt getrieben wird, was kalte Zonen (d.h. aufgrund des Mangels an Stromdichte nicht mehr erhitzt) und heiße Zonen (d.h. aufgrund einer erhöhten Stromdichte mit einer noch größeren Rate erhitzt) verschlimmert.
Eine derartige breite Temperaturverteilung in einer Zelle kann in einer schlechten Verteilung der RF resultieren, da die Membran bei der Hochtemperaturzone relativ trocken ist, während die Membran bei der Niedertemperaturzone sehr feucht ist, wodurch die Haltbarkeit der MEA reduziert wird. Zusätzlich besitzt eine derartige breite Temperaturverteilung einen negativen Einfluss auf die mechanische Beanspruchung der Bipolarplatte, der MEA, des DM und/oder dergleichen.
Ein Versuch, den Stapel ohne eine Kühlmittelströmungsumschaltung zu erhitzen, hat große Temperaturschwankungen in dem Stapel zur Folge gehabt, wie in 1 gezeigt ist. In dieser Ansicht ist der Stapel beim Start durch zehn Elemente mit einer Gesamttemperaturschwankung von etwa 50°C, beispielsweise zwischen Element 1 und Element 10, dargestellt.
Eine Alternative zu herkömmlichen Vorgehensweisen bestand darin, einen in der Leitung befindlichen Kühlmittelheizer zu verwenden, beispielsweise einen Heizer in dem Kühlmittelverteiler des Stapels, der in der Lage sein kann, die Temperaturschwankung entlang des Kanals innerhalb einer Zelle zu reduzieren. Jedoch ist die Ausführung, die den in der Leitung befindlichen Heizer verwendet, teurer und verbraucht Leistung, was in einem geringeren Brennstoffzellenwirkungsgrad resultiert.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach neuen und verbesserten Brennstoffzellensystemen, beispielsweise denjenigen mit Kühlmittelströmungsumschaltsystemen, die bei Gefrierstartbedingungen betreibbar sind, um eine Stapelhaltbarkeit und einen Schnellstart zu unterstützen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Zusatzkühlmittelsystem für ein Brennstoffzellenstapelsystem vorgesehen, das eine umkehrbare Kühlmittelpumpe, ein Steuerventil und Rohrleitungen aufweist. Die Pumpe ermöglicht die Umkehr der Kühlmittelströmungsrichtung in dem Brennstoffzellenstapelsystem. Das Zusatzkühlmittelsystem ist parallel zu dem Primärkühlmittelsystem angeordnet und steht über Ventile mit dem Primärkühlmittelsystem in Verbindung. Bei Starts unter Null, wenn die Kühlmittelströmung durch das Brennstoffzellenstapelsystem von rechts nach links erfolgt, ist ein Ventil des Primärkühlmittelsystems teilweise offen und steuert die Menge an kalter Kühlmittelzugabe von dem Primärkühlmittelsystem zu dem Brennstoffzellenstapel, während das Ventil des Zusatzkühlmittelsystems dazu verwendet wird, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern. In dem Fall, dass die umkehrbare Pumpe eine variable Drehzahl besitzt, kann die Drehzahl auch dazu verwendet werden, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern. Wenn die Strömung von links nach rechts erfolgt, ist das Ventil in dem Primärkühlmittelsystem geschlossen, während das Ventil in dem Zusatzkühlmittelsystem dazu verwendet wird, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern. Bei normalen Betriebsabläufen des Brennstoffzellenstapels (d.h. Stapelbetriebstemperatur von 50 bis 80°C) ist das Ventil in dem Zusatzkühlmittelsystem geschlossen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das umfasst: (1) ein Brennstoffzellenstapelsystem; (2) ein Primärkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem, wobei das Primärkühlmittelsystem betreib bar ist, um ein kaltes Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung einzuführen; und (3) ein Zusatzkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Primärkühlmittelsystem, wobei das Zusatzkühlmittelsystem selektiv betreibbar ist, um die Strömung von Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umzukehren.
Das Primärkühlmittelsystem weist ein Ventilelement auf, das selektiv betreibbar ist, um die Menge an kalter Kühlmittelströmung in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung zu steuern.
Das Zusatzkühlmittelsystem weist ein reversibles Kühlmittelpumpenelement auf. Die reversible Kühlmittelpumpe ist betreibbar, um zu ermöglichen, dass die Strömung des Kühlmittels in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umgekehrt wird. Das reversible Pumpenelement kann entweder eine Pumpe mit konstanter Drehzahl oder eine Pumpe mit variabler Drehzahl sein. In dem Fall, dass eine Pumpe mit variabler Drehzahl verwendet wird, kann die Pumpendrehzahl auch dazu verwendet werden, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern.
Die Strömungsumschalttaktzeit des Brennstoffzellenstapelsystems wird durch die Aufheizanforderung und das Kühlmittelvolumen des Brennstoffzellenstapelsystems plus das Kühlmittelvolumen in dem Zusatzkühlmittelsystem bestimmt. Ein kurzer Strömungsumschalttakt (d.h. in der Größenordnung von Sekunden) dient dazu, um zu ermöglichen, dass sich das Brennstoffzellenstapelsystem aufwärmen kann, so dass die Temperatur über den Stapel im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist. Der kurze Strömungsumschalttakt kann durch eine Kühlmittelvolumenverringerung in einer Zusatzkühlmittelschleife, eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem Sammelleitungsbereich des Brennstoffzellenstapelsystems oder eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapelsystems erreicht werden.
Das Zusatzkühlmittelsystem weist ein Ventilelement auf, das selektiv betreibbar ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einem Einlass und einem Auslass des Brennstoffzellenstapelsystems zu steuern. Das Ventilelement ist ein Steuerventil, dessen Ventilposition durch die Temperaturdifferenz zwischen den Einlass- und Auslasstemperaturen des Brennstoffzellenstapelsystems über Rückkopplung geregelt ist.
Eine Bypassleitung ist selektiv betreibbar, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel einen Kühler beim Start umgeht.
Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit: (1) einem Brennstoffzellenstapelsystem; (2) einem Primärkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem, wobei das Primärkühlmittelsystem betreibbar ist, um ein kaltes Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung einzuführen, wobei das Primärkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Menge an kalter Kühlmittelströmung in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung zu steuern; und (3) einem Zusatzkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Primärkühlmittelsystem, wobei das Zusatzkühlmittelsystem selektiv betreibbar ist, um die Strömung von Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umzukehren.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit: (1) einem Brennstoffzellenstapelsystem; (2) einem Primärkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem, wobei das Primärkühlmittelsystem betreibbar ist, um ein kaltes Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Starten einer ersten Richtung einzuführen, wobei das Primärkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Menge an kalter Kühlmittelströmung in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung zu steuern; und (3) einem Zusatzkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Primärkühlmittelsystem, wobei das Zusatzkühlmittelsystem selektiv betreibbar ist, um die Strömung von Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umzukehren, wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein reversibles Kühlmittelpumpenelement aufweist.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und 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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine graphische Darstellung der Stapeltemperatur als eine Funktion der Zeit für ein Brennstoffzellenstapelsystem mit einem herkömmlichen Kühlmittelsystem gemäß dem Stand der Technik ist;
2 eine schematische Darstellung eines Zusatzkühlmittelsystems für ein Brennstoffzellenstapelsystem gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine graphische Darstellung der Stapeltemperatur als eine Funktion der Zeit für ein Brennstoffzellenstapelsystem mit einem Zusatzkühlmittelsystem gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Um die große Temperaturschwankung in einer Zelle beim Gefrierstart zu vermeiden und einen Schnellstart des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, werden ein System und eine Vorgehensweise zum Kühlmittelströmungsumschaltbetrieb gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen.
Bezug nehmend auf 2 ist eine schematische Ansicht eines Zusatzkühlmittelsystems 10 für ein Brennstoffzellenstapelsystem 12 gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Primärkühlmittelsystem 14 ist in Fluidverbindung mit sowohl dem Zusatzkühlmittelsystem 10 als auch dem Brennstoffzellenstapelsystem 12 gezeigt. Es können verschiedene Leitungen, Rohre und/oder dergleichen verwendet werden, um eine Fluidverbindung unter den drei Systemen vorzusehen, wie es in der Technik bekannt ist.
Bei der Betriebsvorgehensweise wird beim Start unter Null befindliches Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel über einen Kühlmittelauslass 16 und einen Kühlmitteleinlass 18 diskontinuierlich durch eine Anordnung einer Serie von Ventilen 20 bzw. 22 eingeführt, die als Steuerventile funktionieren können.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Zusatzkühlmittelsystem 10 verwendet, das unter anderem beim Start eine Kühlmittelströmungsumschaltfähigkeit vorsieht. Das Zusatzkühlmittelsystem 10 weist hauptsächlich eine reversible Kühlmittelpumpe 24, ein Ventil 20 bzw. eine Rohrleitung 26 (beispielsweise eine Bypassleitung) zur Kühlmittelströmungsumschaltung auf. Ein Kühler 28 ist in Fluidverbindung mit sowohl dem Primärkühlmittelsystem 14 als auch dem Zusatzkühlmittelsystem 10 gezeigt.
Genauer ermöglicht die reversible Kühlmittelpumpe, dass die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Brennstoffzellenstapelsystem 12 umgekehrt wird. Es sei angemerkt, dass das Zusatzkühlmittelsystem 10 über ein Ventil 22 mit dem Primärkühlmittelsystem 14 in Verbindung steht.
Anhand eines nicht beschrankenden Beispiels wird beim Start, wenn eine Kühlmittelströmung durch das Brennstoffzellenstapelsystem 12 von rechts nach links erfolgt, d.h. in der Richtung von Pfeil F1, das Ventil 20 dazu verwendet, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern, und das Ventil 22 ist teilweise offen. Die kalte Kühlmittelzugabe von dem Primärkühlmittelsystem 14 wird durch die relative Öffnung des Ventils 20 und des Ventils 22 gesteuert. Ähnlicherweise wird, wenn die Strömung durch das Brennstoffzellenstapelsystem 12 von links nach rechts erfolgt, d.h. in der Richtung von Pfeil F2, das Ventil 20 dazu verwendet, die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern, und das Ventil 22 ist geschlossen. Die Kühlmittelumschalttaktzeit sollte durch die Aufwärmanforderung und das Kühlmittelvolumen eines Stapels plus das Kühlmittelvolumen einer Zusatzkühlmittelschleife bei einem gegebenen Brennstoffzellensystem bestimmt sein.
Je kürzer der Kühlmittelumschalttakt ist, um so schneller heizt der Stapel auf und um so geringer ist die Temperaturverteilung über den Stapel. Um einen schnelleren Kühlmittelumschalttakt zu ermöglichen, ist es bevorzugt, das Kühlmittelvolumen in der Zusatzkühlmittelschleife und das Kühlmittelvolumen in den Stapelsammelleitungen und dem aktiven Bereich zu minimieren. Das Kühlmittelvolumen in der Zusatzkühlmittelschleife kann dadurch minimiert werden, dass die Zusatzkühlmittelschleife eng mit dem Stapel gekoppelt ist. Das Kühlmittelvolumen der Stapelsammelleitung kann dadurch reduziert werden, dass der Sammelleitungsbereich mit einem porösen Medium mit niedrigem Druckabfall und geringer thermischer Masse gefüllt ist, wie beispielsweise massive Hohlkugeln. Es ist berichtet worden, dass eine Kühlmittelvolumenverringerung in dem aktiven Bereich des Stapels durch eine geprägte Metallplattenkonstruktion erreicht werden kann.
Bezug nehmend auf 3 ist eine graphische Darstellung einer Stapeltemperatur als eine Funktion der Zeit für ein Brennstoffzellenstapelsystem mit einem Zusatzkühlmittelsystem gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In dieser Darstellung sind die Simulationsergebnisse für Temperaturprofile in einem Brennstoffzellenstapelsystem beim Start mit einer Kühlmittelströmungsumschaltung gezeigt, wie vorher beschrieben wurde. Wie bei dem in 1 gezeigten System ist das Brennstoffzellenstapelsystem durch zehn Elemente dargestellt. Wie gezeigt ist, reduziert die Vorgehensweise der Kühlmittelströmungsumschaltung der vorliegenden Erfindung, beispielsweise mit einer Taktzeit von sechs Sekunden, die vorhergesagte maximale Zellentemperaturdifferenz von 50°C (siehe 1) auf 35°C, wie in 3 gezeigt ist.
In der Simulation war das Kühlmitteleinlasstemperaturprofil als eine Funktion der Zeit für beide Fälle gleich. Wie in 3 gezeigt ist, wird durch Einführung eines Kühlmittelströmungsumschalttaktes von 6 Sekunden die maximale Temperaturspanne in einer Zelle von 50°C (ähnlich zu Niveaus, die in Experimenten festgestellt wurden) hinunter auf 35°C reduziert, wobei eine gleichmäßige Stromverteilung angenommen ist. Es sei angemerkt, dass die Temperaturspanne durch Verwendung eines noch kürzeren Kühlmittelströmungsumschalttaktes (beispielsweise kleiner als 6 Sekunden) weiter reduziert werden kann. Es sind Modellstudien durchgeführt worden, um zu zeigen, dass eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in einem Brennstoffzellenstapelsystem durch eine Vorgehensweise der Kühlmittelströmungsumschaltung, wie hier beschrieben ist, erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht zahlreiche Vorteile zur Steuerung der Temperaturverteilung durch ein Brennstoffzellenstapelsystem bereit, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt: (1) eine Verringerung der Temperaturverteilung entlang des Kanals in einer Zelle beim Gefrierstart, wodurch die RF-Schwankung in der Zelle verringert wird, die Haltbarkeit der MEA verlängert wird und/oder ein schnellerer Start zugelassen wird; (2) eine Verringerung der Temperaturverteilung in einer Zelle beim Gefrierstart, wodurch der Einfluss der Temperaturschwankung auf die me chanische Belastung der Bipolarplatte, des DM und/oder der MEA reduziert wird; und (3) ein Schnellstart des gesamten Brennstoffzellensystems.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung von der Grundidee und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapelsystem; einem Primärkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem, wobei das Primärkühlmittelsystem betreibbar ist, um ein kaltes Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung einzuführen; und einem Zusatzkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Primärkühlmittelsystem, wobei das Zusatzkühlmittelsystem selektiv betreibbar ist, um die Strömung von Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umzukehren.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei das Primärkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Menge an kalter Kühlmittelströmung in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung zu steuern.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein reversibles Kühlmittelpumpenelement aufweist.
Erfindung nach Anspruch 3, wobei die reversible Kühlmittelpumpe betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass die Strömung des Kühlmittels in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umgekehrt wird.
Erfindung nach Anspruch 4, wobei die reversible Kühlmittelpumpe eine variable Drehzahl besitzt und die reversible Kühlmittelpumpe die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels steuern kann.
Erfindung nach Anspruch 4, wobei eine Strömungsumschalttaktzeit des Brennstoffzellenstapelsystems durch die Aufwärmanforderung und das Kühlmittelvolumen des Brennstoffzellenstapelsystems plus das Kühlmittelvolumen in der Zusatzkühlmittelschleife bestimmt ist.
Erfindung nach Anspruch 6, wobei ein kurzer Strömungsumschalttakt dazu dient, um zu ermöglichen, dass das Brennstoffzellenstapelsystem derart aufgewärmt wird, dass die Temperatur über den Stapel im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.
Erfindung nach Anspruch 7, wobei der kurze Strömungsumschalttakt durch eine Kühlmittelvolumenverringerung in einer Zusatzkühlmittelschleife, eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem Sammelleitungsbereich des Brennstoffzellenstapelsystems oder eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapelsystems erreicht werden kann.
Erfindung nach Anspruch 3, wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einem Einlass und einem Auslass des Brennstoffzellenstapelsystems zu steuern.
Erfindung nach Anspruch 9, wobei das Ventilelement ein Steuerventil ist, dessen Ventilposition durch die Temperaturdifferenz zwischen den Einlass- und Auslasstemperaturen des Brennstoffzellenstapelsystems über Rückkopplung geregelt ist.
Erfindung nach Anspruch 3, ferner mit einer Bypassleitung, die selektiv betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel einen Kühler beim Start umgehen kann.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapelsystem; einem Primärkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem, wobei das Primärkühlmittelsystem betreibbar ist, um ein kaltes Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung einzuführen, wobei das Primärkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Menge an kalter Kühlmittelströmung in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung zu steuern; und einem Zusatzkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Primärkühlmittelsystem, wobei das Zusatzkühlmittelsystem selektiv betreibbar ist, um die Strömung von Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umzukehren.
Erfindung nach Anspruch 12, wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein reversibles Kühlmittelpumpenelement aufweist.
Erfindung nach Anspruch 13, wobei die reversible Kühlmittelpumpe betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass die Strömung des Kühlmittels in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umgekehrt wird.
Erfindung nach Anspruch 14, wobei die reversible Kühlmittelpumpe eine variable Drehzahl besitzt und die reversible Kühlmittelpumpe die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels steuern kann.
Erfindung nach Anspruch 14, wobei eine Strömungsumschalttaktzeit des Brennstoffzellenstapelsystems durch die Aufwärmanforderung und das Kühlmittelvolumen des Brennstoffzellenstapelsystems plus das Kühlmittelvolumen in der Zusatzkühlmittelschleife bestimmt ist.
Erfindung nach Anspruch 16, wobei ein kurzer Strömungsumschalttakt dazu dient, um zu ermöglichen, dass das Brennstoffzellenstapelsystem derart aufgewärmt wird, dass die Temperatur über den Stapel im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.
Erfindung nach Anspruch 17, wobei der kurze Strömungsumschalttakt durch eine Kühlmittelvolumenverringerung in einer Zusatzkühlmittelschleife, eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem Sammelleitungsbereich des Brennstoffzellenstapelsystems oder eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapelsystems erreicht werden kann.
Erfindung nach Anspruch 13, wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einem Einlass und einem Auslass des Brennstoffzellenstapelsystems zu steuern.
Erfindung nach Anspruch 19, wobei das Ventilelement ein Steuerventil ist, dessen Ventilposition durch die Temperaturdifferenz zwi schen den Einlass- und Auslasstemperaturen des Brennstoffzellenstapelsystems über Rückkopplung geregelt ist.
Erfindung nach Anspruch 13, ferner mit einer Bypassleitung, die selektiv betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel einen Kühler beim Start umgeht.
Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapelsystem; einem Primärkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem, wobei das Primärkühlmittelsystem betreibbar ist, um ein kaltes Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung einzuführen, wobei das Primärkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Menge an kalter Kühlmittelströmung in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in einer ersten Richtung zu steuern; und einem Zusatzkühlmittelsystem in Fluidverbindung mit dem Primärkühlmittelsystem, wobei das Zusatzkühlmittelsystem selektiv betreibbar ist, um die Strömung von Kühlmittel in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umzukehren; wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein reversibles Kühlmittelpumpenelement aufweist.
Erfindung nach Anspruch 20, wobei die reversible Kühlmittelpumpe betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass die Strömung des Kühlmittels in das Brennstoffzellenstapelsystem beim Start in eine zweite Richtung umgekehrt wird. In dem Fall, dass die reversible Kühlmittelpumpe eine variable Drehzahl besitzt, kann die Drehzahl der reversiblen Pumpe auch dazu verwendet werden, die Temperaturdiffe renz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels zu steuern.
Erfindung nach Anspruch 23, wobei die reversible Kühlmittelpumpe eine variable Drehzahl besitzt und die reversible Kühlmittelpumpe die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Stapels steuern kann.
Erfindung nach Anspruch 23, wobei eine Strömungsumschalttaktzeit des Brennstoffzellenstapelsystems durch die Aufwärmanforderung und das Kühlmittelvolumen des Brennstoffzellenstapelsystems plus das Kühlmittelvolumen in der Zusatzkühlmittelschleife bestimmt ist.
Erfindung nach Anspruch 25, wobei ein kurzer Strömungsumschalttakt dazu dient, um zu ermöglichen, dass das Brennstoffzellenstapelsystem derart aufgewärmt wird, dass die Temperatur über den Stapel im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist.
Erfindung nach Anspruch 26, wobei der kurze Strömungsumschalttakt durch eine Kühlmittelvolumenverringerung in einer Zusatzkühlmittelschleife, eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem Sammelleitungsbereich des Brennstoffzellenstapelsystems oder eine Kühlmittelvolumenverringerung in einem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapelsystems erreicht werden kann.
Erfindung nach Anspruch 22, wobei das Zusatzkühlmittelsystem ein Ventilelement aufweist, das selektiv betreibbar ist, um die Temperaturdifferenz zwischen einem Einlass und einem Auslass des Brennstoffzellenstapelsystems zu steuern.
Erfindung nach Anspruch 28, wobei das Ventilelement ein Steuerventil ist, dessen Ventilposition durch die Temperaturdifferenz zwischen den Einlass- und Auslasstemperaturen des Brennstoffzellenstapelsystems über Rückkopplung geregelt ist.
Erfindung nach Anspruch 22, ferner mit einer Bypassleitung, die selektiv betreibbar ist, um zu ermöglichen, dass Kühlmittel einen Kühler beim Start umgeht.