DE102007052830B4 - Spülluftsystem zur entfernung von flüssigem oder dampfförmigem wasser von einem brennstoffzellenstapel - Google Patents

Spülluftsystem zur entfernung von flüssigem oder dampfförmigem wasser von einem brennstoffzellenstapel Download PDF

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Abstract

Spülsystem (10) zur Entfernung von flüssigem oder dampfförmigem Wasser von einem Brennstoffzellenstapel (14), umfassend:einen Spülluftauslass in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14), wobei der Spülluftauslass in die Umgebung mündet, sodass Spülluft in der Lage ist, den Brennstoffzellenstapel (14) zu verlassen;ein Kühlersystem (18) in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14);einen Spüllufteinlass in Fluidverbindung mit dem Kühlersystem (18), wobei der Spüllufteinlass dazu dient, Spülluft von der äußeren Umgebung aufzunehmen; undein Luftgebläsesystem (22) in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Kühlersystem (18), wobei das Luftgebläsesystem (22) selektiv betätigbar ist, um die Spülluft von dem Kühlersystem (18) an den Brennstoffzellenstapel (14) zu übertragen und somit flüssiges oder dampfförmiges Wasser davon zu entfernen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spülluftsystem zur Entfernung von flüssigem oder dampfförmigem Wasser von einem Brennstoffzellenstapel.
  • 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 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 werden und die: (1) als Stromkollektoren für die Anode und die 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 entfernen; (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 wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und sind 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 US 3 985 578 A von Witherspoon et al.; US 5 272 017 A von Swathirajan et al.; US 5 624 769 A von Li et al.; US 5 776 624 A von Neutzler; US 6 103 409 A von DiPierno Bosco et al.; US 6 277 513 B1 von Swathirajan et al.; US 6 350 539 B1 von Woods, III et al.; US 6 372 376 B1 von Fronk et al.; US 6 376 111 B1 von Mathias et al.; US 6 521 381 B1 von Vyas et al.; US 6 524 736 B1 von Sompalli et al.; US 6 528 191 B1 von Senner; US 6 566 004 B1 von Fly et al.; US 6 630 260 B2 von Forte et al.; US 6 663 994 B1 von Fly et al.; US 6 740 433 B2 von Senner; US 6 777 120 B2 von Nelson et al.; US 6 793 544 B2 von Brady et al.; US 6 794 068 B2 von Rapaport et al.; US 6 811 918 B2 von Blunk et al.; US 6 824 909 B2 von Mathias et al.; U.S. Patentanmeldungen US 2004/0229087 A1 von Senner et al.; US 2005/0026012 A1 von O'Hara; US 2005/0026018 A1 von O'Hara et al.; und US 2005/0026523 A1 von O'Hara et al. gefunden werden.
  • In einem herkömmlichen PEM-Brennstoffzellenstapel wird Wasser in der Zellenreaktion erzeugt und muss von dem Stapel entfernt werden. Alternativ kann das Produktwasser zur Befeuchtung des Kathodengases verwendet werden, wie dies in der US 2005/0118490 A1 beschrieben wird.
  • Herkömmliche Technologien verwenden einen mechanischen Schnellspülprozess. Dieser besitzt verschiedene Nachteile, einschließlich eines hohen Energieverbrauchs und einer Entfernung von Wasser hauptsächlich durch „mechanische“ Mittel, d.h. eine Konvektion von flüssigem Wasser aus dem Stapel. Auch diese Technik kann unter den Stegen signifikant flüssiges Wasser zurücklassen, was zu Gefrierhaltbarkeitsproblemen einschließlich einem Schaden an dem DM und der MEA unter den Stegen beitragen kann. Zusätzlich ergibt diese Technik aufgrund einer erhöhten relativen Feuchte (RF) aus der unvollständigen Flüssigwasserentfernung eine Kohlenstoffkorrosion, die stärker als gewünscht ist.
  • Eine alternative Technik verwendet eine Hochleistungsspülung für etwa 100 bis 120 Sekunden. Jedoch erfordert diese Technik einen relativ hohen Energieverbrauch und ist nicht sehr effektiv bei der Entfernung von flüssigem Wasser, insbesondere unter den Stegen. Beispielsweise beträgt mit der existierenden Spülung über 120 Sekunden der Energieverbrauch 5 W x 120 Sekunden = 600 kJ für einen Stapel mit einer Nettoleistung von 100 kW. Die Langzeitspülung erfordert geschätzte 150 kJ. Diese Strategie mit langer Dauer erfordert einen anderen Energieumwandlungsschritt (d.h. Laden der Batterie).
  • Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Spülsystem für Brennstoffzellensysteme zu schaffen, um so eine verbesserte Wasserentfernung, Gefrierbeständigkeit, einen verbesserten Spülenergiewirkungsgrad und/oder eine verbesserte Spannungsdegradation aufgrund von Abschalt/ Start-Wechselcharakteristiken bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird gemäß einer Ausführungsform mit einem Spülsystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Spülsystems für ein Brennstoffzellensystem, das in einer normalen Betriebsart arbeitet, gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist; und
    • 2 eine schematische Darstellung des Spülsystems für ein Brennstoffzellensystem, das in einer Spülbetriebsart arbeitet, gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bezug nehmend auf die 1 und 2 ist ein Spülsystem 10 zur Verwendung in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem 12, beispielsweise einem Brennstoffzellenstapel 14, gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung gezeigt. Beispielsweise kann während dieser Zeit eine Zusatzpumpe 16 mit niedriger Leistung für flüssiges Kühlmittel verwendet werden, um die Kühlmittelzirkulation aufrecht zu erhalten, so dass der Stapel 14, der Kühler 18 und die Kühlmittelverrohrung 20 (beispielsweise Rohrleitung 20a von dem Kühler 18 zu der Kühlmittelpumpe 16 und Rohrleitung 20b von der Kühlmittelpumpe 16 zu dem Stapel 14) sich auf derselben Temperatur befinden. Der Pfad der Kühlmittelströmung wird generell wie folgt beschrieben. Kühlmittel strömt durch die Pumpe 16 in die Rohrleitung 20a in den Kühler 18. Von dem Kühler 18 strömt das Kühlmittel in die Rohrleitung 20c und wird in den Brennstoffzellenstapel 14 eingeführt. Das Kühlmittel verlässt dann den Brennstoffzellenstapel 14, tritt in die Rohrleitung 20b ein und wird wieder in die Pumpe 16 eingeführt. Die Wärme von dem Stapel 14, dem flüssigen Kühlmittel und dem Kühler 18 kann dazu verwendet werden, die Verdunstungswärme der Flüssigkeit in dem Stapel 14 bereitzustellen, und das flüssige Wasser kann von dem Stapel 14 als Wasserdampf, beispielsweise durch die Rohrleitung 14a nach außen, entfernt werden. Da die Luftströmungsgeschwindigkeit relativ gering ist, ist ausreichend Zeit vorhanden, damit das Wasser verdunsten kann und die Luft dieselbe Temperatur wie der Stapel 14 erreichen kann, was auch durch die große Oberfläche zur Wärmeübertragung begünstigt wird.
  • 1 zeigt das Spülsystem, wenn es in einer normalen Betriebsart arbeitet. Wenn das Spülsystem 10 in der normalen Betriebsart arbeitet, zieht der Kühler 18 Spülluft aus der Umgebung. Die Luft wird dann in den Kühlerlüfter 26 eingeführt und zurück durch Luftklappen 24 an die äußere Umgebung geblasen.
  • Nun Bezug nehmend auf 2 ist das Spülsystem 10 in einer SpülBetriebsart arbeitend gezeigt. Spülluft kann in den Stapel 14 durch den Kühler 18 (beispielsweise über Rohrleitungen 18a und 18b), beispielsweise über ein Spülluftgebläse 22 gezogen werden, das die Luft vorheizt, um zu vermeiden, dass eisige Luft mit dem Stapel 14 an dem Lufteinlass in Kontakt tritt. Die Luftklappen 24 sind nun geschlossen, um sicherzustellen, dass die Luft durch den Kühler 18 gelangt, beispielsweise durch selektives Schließen und/oder Öffnen. Wenn das Spülsystem 10 in der SpülBetriebsart arbeitet, zieht der Kühler 18 die Spülluft von der äußeren Umgebung ein. Die Luft wird dann durch die Rohrleitungen 18a und 18b dem Stapel 14 zugeführt. Nachdem die Luft durch den Stapel geströmt ist, tritt sie an die äußere Umgebung aus. Der leere Raum zwischen dem Kühlerlüfter 26 und dem Kühler 18 ist nicht wesentlich, jedoch kann er dazu verwendet werden, um für eine gleichmäßige Luftströmung durch den Kühler 18 hindurch zu sorgen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Stapel über eine relativ lange Zeitdauer gespült, beispielsweise eine ½ Stunde bis 1 Stunde. Es sei jedoch angemerkt, dass die Spülzeit gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung abgewandelt werden kann, beispielsweise kann die Spülzeit kleiner oder größer als das vorher erwähnte Spülzeitintervall sein. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann dem langen Spülprozess eine Spülung mit hoher Intensität und relativ kurzer Zeitdauer vorangehen, um in Kanälen angesammeltes flüssiges Wasser „mechanisch zu entfernen“.
  • Ohne sich an eine bestimmte Theorie des Betriebs der vorliegenden Erfindung zu binden, wird angenommen, dass durch Verwendung einer langsamen Entfernung von Wasser im Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht anstatt einer schnellen konvektiven Wasserentfernung dieser Typ von langsamer Stapelspülung flüssiges Wasser unter den Stegen entfernt, wodurch die Wahrscheinlichkeit größer wird, dass die Membran mehrere Gefrier/Auftau-Zyklen mit minimaler oder sogar gar keiner Schädigung überdauert.
  • Es wurden verschiedene Probeberechnungen ausgeführt, um unter anderem die Zeit zum Herunterkühlen des Stapels, den Temperaturabfall des Stapels sowie das Kühlmittel für eine gegebene Wassermenge, einen Druckabfall und eine Luftströmungsleistung zu bestimmen, wie nachfolgend dargestellt ist.
  • In Bezug auf die Zeit zum Herunterkühlen des Stapels wird angenommen, dass die Zeit zum Herunterkühlen des Stapels die Spülzeit bestimmt. Beispielsweise muss die Spülzeit im Vergleich zu der Zeit, die erforderlich ist, um den Stapel herunterzukühlen, ausreichend kurz sein, da es erwünscht ist, dass die Wärme von dem Stapel und dem Kühlmittelsystem in Richtung einer Verdunstung des Wassers geht, und nicht zum Wärmeverlust wird. Wenn angenommen wird, dass ein HTC (Wärmeübertragungskoeffizient) für natürliche Konvektion 10 W/m2*K beträgt und eine Umgebungstemperatur von 0°C und ein mCp (Masse multipliziert mit der spezifischen Wärmekapazität) für den Stapel und das Kühlmittelsystem 134000 J/K gegeben ist, resultieren 6 Stunden. Somit muss die Spülung in weniger als 1 Stunde stattfinden, so dass der Wärmeverlust aufgrund der Kühlung vernachlässigbar ist. Es sei angemerkt, dass der Wärmeverlust für ein echtes System etwas höher sein kann, als hier geschätzt ist, und zwar aufgrund eines höheren HTC für natürliche Konvektion oder einem signifikanten Wärmeverlust von der Kühlmittelverrohrung. Wenn dies der Fall ist, kann eine gewisse minimale zusätzliche Isolierung um den Stapel und das Kühlmittel herum oder eine geringfügig schnellere Spülung als die hier angenommene ½- bis 1-stündige Spülung erforderlich sein.
  • In Bezug auf den Temperaturabfall des Stapels und des Kühlmittels für eine gegebene Wassermenge ist eine Voraussetzung der vorliegenden Erfindung, dass die freie Wärme, die beim Kühlen des Stapels und des Kühlmittelsystems verfügbar ist, ausreichend ist, um das in dem Stapel angesammelte flüssige Wasser zu verdunsten. Beispielsweise wird ein Stapel- und Kühlmittelsystem bei 60°C betrachtet. Mit einer gegebenen projektierten mCp des Stapels und des Kühlmittelsystems von 134000 J/K beträgt die freie Wärme, die von 60°C hinunter auf 20°C verfügbar ist, 5,36 MJ. Bei einer gegebenen Verdunstungswärme von 2400 J/g ist die freie Wärme ausreichend, um 2230 Gramm Wasser zu verdunsten. Dies stellt eine obere Grenze dar, da ein Teil der freien Wärme auch nötig ist, um die eintretende kalte Spülluft zu erwärmen.
  • Andererseits braucht es nicht notwendig oder sogar erwünscht sein, das gesamte flüssige Wasser aus dem Stapel zu spülen. In jedem Fall zeigen die verfügbaren Daten eine Flüssigwasserrückhaltung in der Größenordnung von 1050 Gramm für einen vollständigen S4.3 Stapel (400 Zellen mit einer aktiven Fläche von 360 cm2 pro Zelle), der bei einer Auslass-RF von 91 % vor dem Abschalten ohne Spülung betrieben wird, und 1600 Gramm Wasser für einen vollständigen S4.3 Stapel, der bei einer Auslass-RF von 126 % vor dem Abschalten ohne Spülung betrieben wird, so dass die freie Wärme in der richtigen Größenordnung liegt, um den größten Teil wenn nicht das gesamte flüssige Wasser in dem Stapel für die angenommenen Bedingungen einer Anfangstemperatur von 60°C zu entfernen.
  • Bei Fällen, wenn der Stapel 60°C nicht erreicht, beispielsweise Fahrten mit kurzer Dauer an relativ kalten Tagen, sind andere Optionen verfügbar. Beispielsweise: (1) kann in vielen Fällen eine Temperatur von geringer als 60°C ausreichend sein, und zwar aufgrund einer kleineren Wassermenge, die sich während einer Fahrt mit kurzer Dauer angesammelt haben kann; (2) kann ein Algorithmus verwendet werden, um die Menge an flüssigem Wasser in dem Stapel und die erforderliche Anfangstemperatur für eine Spülung mit langer Dauer zum Betrieb zu schätzen, und der Stapel kann eingeschaltet bleiben, um Kühlmittelwärme abzutreiben, bis diese Temperatur vor dem Abschalten erreicht ist; und/oder (3) es kann eine kurzzeitige mechanische Spülung mit hoher Strömung als ein Vorbereitungsschritt für eine Spülung mit langer Dauer verwendet werden. Dies hat den doppelten Vorteil der Erwärmung des Stapels und auch der mechanischen Entfernung eines Teils des Wassers. Wiederum kann ein Algorithmus verwendet werden, um die erforderliche Dauer der Kurzzeitspülung mit hoher Strömung zu bestimmen. Sogar in diesem Fall bietet eine Langzeitspülung den Vorteil einer Minimierung der Länge der Spülung mit hohem Durchfluss und spart dadurch Leistung und sieht auch das Potenzial für eine vollständigere Trocknung des Stapels vor.
  • In Bezug auf den Druckabfall und die Luftströmungsleistung, beispielsweise für einen S4.3 Stapel, ist typischerweise ein Kompressor mit 1 kW erforderlich, um 30 g/s an Luft mit einem entsprechenden P-Abfall von 10 kPa zu liefern. Da die vorliegende Erfindung das Laminarströmungsregime verwendet, ist der Druckabfall proportional zu dem Massenstrom. Für die Langzeitspülstrategie ist eine Luftströmung in der Größenordnung von 3 g/s erforderlich. Dies bedeutet, dass der Druckabfall in der Größenordnung von 1 kPa liegt. Zum Vergleich des Falls mit 30 g/s bei 1 kW mit dem Fall von 6 g /s kann die erforderliche Leistung für den Fall mit 6 g/s auf 32 Watt geschätzt werden. Sogar wenn eine Strömung durch den Kühler und die Einlassverrohrung einen gewissen zusätzlichen Druckabfall bietet und ermöglicht wird, dass eine kleine Pumpe langsam Kühlmittel während des Spülens zirkulieren kann, sollte der Leistungsverbrauch klein sein, beispielsweise 40 Watt oder weniger. Wenn die Spülung 1 Stunde andauert, dann beträgt die für die Spülung erforderliche Gesamtenergie nur 144 kJ, was leicht durch eine relativ kleine und kostengünstige wiederaufladbare Batterie geliefert werden könnte.
  • Die Ergebnisse aus einem Tabellenkalkulationsmodell sehen eine analytische Lösung einer einzelnen gewöhnlichen Differenzialgleichung vor, die geschrieben wurde, um eine Bestimmung der Durchführbarkeit der vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Die Berechnungen betreffen das Lösen eines Energiegleichgewichtes, bei dem kalte Luft in den Stapel gebracht wird, auf die Stapeltemperatur erwärmt wird und dann den Stapel vollständig gesättigt verlässt. Der Stapel verliert Energie aufgrund der Erwärmung der kalten eintretenden Luft und auch aufgrund der Verdunstung von flüssigem Wasser. Das Modell berücksichtigt auch, dass, da die Stapel- und daher die Austrittslufttemperatur abfällt, die Luft weniger Wasser bei Sättigung enthält. Die Ergebnisse einiger Probenberechnungen sind unten gezeigt:
    • Anfangs-Stapel-T = 60°C, Spülluftströmung = 6 g/s, T der eintretenden Luft= -20°C, entferntes Wasser nach ½, 1 und 3/2 Stunden = 900, 1400 bzw. 1700 Gramm, während Stapel-T = 42, 35 bzw. 29°C.
    • Anfangs-Stapel-T = 50°C, Spülluftströmung = 6 g/s, T der eintretenden Luft = -20°C, entferntes Wasser nach ½, 1 und 3/2 Stunden = 580, 900 bzw. 1600 Gramm, während Stapel-T = 36, 29 bzw. 23°C.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann anstelle eines einzelnen größeren Kühlerlüfters eine Zusammenstellung kleinerer Lüfter (beispielsweise 4 mal 4 = 16) verwendet werden, um Luft durch den Kühler während des Normalbetriebs zu treiben oder zu ziehen. Gegenwärtig wird während der verlängerten Abschaltung lediglich ein einzelner Lüfter auf einmal verwendet, um Luft durch den Kühler zu ziehen und diese in den Stapel zu liefern.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Wärmetauscher verwendet werden, um Wärme zwischen frischer Spülluft und austretender Spülluft auszutauschen und mehr Wasser aus dem Stapel für einen gegebenen Luftdurchfluss zu bekommen. Dies erfordert ein größeres Spülgebläse aufgrund eines zusätzlichen Druckabfalls für den Wärmetauscher.
  • Wenn dieser Spültyp zu effektiv beim Austrocknen der Membran in dem Gebiet nahe dem Kathodeneinlass ist, dann kann ein Spülwechsel verwendet werden, bei dem das Spülgas für eine festgelegte Zeitdauer (beispielsweise 15 Sekunden) in den Kathodeneinlass eingeführt wird und dann für dieselbe Zeitdauer in den Kathodenauslass eingeführt wird. Auf diese Weise steht die Membran für eine ausreichende Zeit in Kontakt mit vollständig befeuchtetem Gas, um diese in einem hydratisierten Zustand zu halten, während das flüssige Wasser von dem Stapel entfernt wurde.
  • Es existieren verschiedene Vorteile der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend dargestellt ist.
  • Ein vollständigeres Trocknen des Stapels durch Verwendung eines Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes weist das Potential auf, zu einer längeren Gefrierbeständigkeit zu führen. Speziell entfernen existierende Systeme für mechanische Spülung Wasser aus den Kanälen, lassen jedoch signifikant Wasser unter den Stegen zurück. Dies kann seinerseits schließlich zu einer Degradation des DM und der MEA unter den Stegen führen. Die langsame Spülung, die bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen ist, entfernt Wasser unter den Stegen, was sich schließlich als der Schlüssel zur Beständigkeit bei zahlreichen Gefrierzyklen erweisen kann.
  • Da der Luftdurchfluss relativ gering ist (beispielsweise wird der Stapel über eine Zeitdauer von ½ bis 2 Stunden gesprüht), ist der Druckabfall von Luft durch den Stapel sehr niedrig, beispielsweise weniger als 1 kPa. Infolgedessen ist die Energie, die erforderlich ist, um diese Luftmenge zu pumpen, ebenfalls sehr niedrig.
  • Mit der Spülstrategie der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, mehr flüssiges Wasser von dem Stapel zu entfernen, was die Möglichkeit zum Betrieb bei Bedingungen mit höherer Auslass-RF eröffnet, was die Stapelhaltbarkeit wie auch den Bereich des akzeptablen Betriebs weiter verbessern kann.
  • Die vorliegende Erfindung besitzt den Vorteil einer Minderung einer Kohlenstoffkorrosion bei Abschalt/Start-Wechseln. Mit der Strategie der langsamen Spülung wird vor dem Spülen der Anodenseite mit Luft der Membranwassergehalt abgesenkt und der Stapel herunter gekühlt. Diese beiden Faktoren verbessern die Spannungsdegradation während des Systemabschalt- und Startwechsels stark. Das Vorhergehende reduziert den Wassergehalt in dem Ionomer, was dazu dient, die Kohlenstoffkorrosionsreaktion in der Kathode zu verlangsamen, da Wasser einen der Reaktanden darstellt. Je geringer die Wassergehalte in dem Ionomer sind, umso langsamer ist die Kohlenstoffkorrosionsreaktionsgeschwindigkeit. Dieses Letztgenannte verbessert die Spannungsdegradation, wenn die Luft/H2-Front durch die Anode während dem Abschalten und dem Start des Brennstoffzellensystems gelangt, da, je geringer die Temperatur der Durchgänge der Luft/H2-Front in der Anode ist, umso geringer die Spannungsdegradationsrate während des Abschalt/Start-Wechsels ist.

Claims (6)

  1. Spülsystem (10) zur Entfernung von flüssigem oder dampfförmigem Wasser von einem Brennstoffzellenstapel (14), umfassend: einen Spülluftauslass in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14), wobei der Spülluftauslass in die Umgebung mündet, sodass Spülluft in der Lage ist, den Brennstoffzellenstapel (14) zu verlassen; ein Kühlersystem (18) in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14); einen Spüllufteinlass in Fluidverbindung mit dem Kühlersystem (18), wobei der Spüllufteinlass dazu dient, Spülluft von der äußeren Umgebung aufzunehmen; und ein Luftgebläsesystem (22) in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Kühlersystem (18), wobei das Luftgebläsesystem (22) selektiv betätigbar ist, um die Spülluft von dem Kühlersystem (18) an den Brennstoffzellenstapel (14) zu übertragen und somit flüssiges oder dampfförmiges Wasser davon zu entfernen.
  2. Spülsystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Pumpensystem (20) in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (14) und dem Kühlersystem (18), wobei das Pumpensystem (20) dazu dient, ein Kühlmittel selektiv durch den Brennstoffzellenstapel (14) und das Kühlersystem (18) zu pumpen.
  3. Spülsystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlersystem (18) ein Luftklappensystem (24) aufweist, das selektiv betätigbar ist, um eine Luftströmung durch das Kühlersystem (18) zu steuern.
  4. Spülsystem nach Anspruch 1, wobei das Kühlersystem (18) dazu dient, die eintretende Spülluft zu erwärmen.
  5. Spülsystem nach Anspruch 1, wobei das Spülsystem (10) für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 120 Minuten betrieben wird.
  6. Spülsystem nach Anspruch 1, wobei das Spülsystem (10) für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 60 Minuten betrieben wird.
DE102007052830.4A 2006-11-09 2007-11-06 Spülluftsystem zur entfernung von flüssigem oder dampfförmigem wasser von einem brennstoffzellenstapel Active DE102007052830B4 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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US11/558,090 2006-11-09
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