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HINTERGRUND
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1. Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren für
eine beschleunigte Aktivierung einer Brennstoffzelle, welche stabil
und schnell eine hohe Stapelleistung sicherstellen können,
während eine Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle
mit Polymer-Elektrolytmembran bedeutend verbessert wird, wobei ein
Wasserstoffverbrauch für die Aktivierung minimiert wird,
und den Aufbau der Vorrichtung vereinfachen können.
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2. Stand der Technik
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Eine
Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolytmembran weist im Vergleich
mit anderen Arten von Brennstoffzellen einen ausgezeichneten Wirkungsgrad,
hohe Stromdichte, hohe Ausgangsleistung, kurze Anlaufzeit und eine
schnelle Ansprecheigenschaft auf eine Lastvariation auf.
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Insbesondere
ist eine Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolytmembran gegenüber
Druckänderungen eines gasförmigen Reaktionspartners
weniger empfindlich und besitzt die Ausgangsleistung verschiedenartiger
Bereiche. Für diese Vorzüge wurde eine Brennstoffzelle
mit Polymer-Elektrolytmembran in vielen industriellen Bereichen
als Energiequellen von zum Beispiel einem Null-Emissions-Fahrzeug, einer
privaten Energiestation, einem Militärzweck und so weiter
eingesetzt.
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Eine
Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrolytmembran erzeugt Wasser und
Wärme durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff. Zugeführter Wasserstoff wird in ein Wasserstoff-Ion
und ein Elektron durch einen Katalysator in einer Anode zerlegt.
Das zerlegte Wasserstoff-Ion wird zu einer Kathode durch eine Elektrolytmembran übertragen.
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Zu
diesem Zeitpunkt wird einer Kathode zugeführter Sauerstoff
mit dem zu einer Kathode durch einen externen Leitungsdraht übertragenen
Elektron kombiniert, um dadurch elektronische Energie zu generieren,
während Wasser erzeugt wird. In diesem Fall beträgt
ein ideales elektrisches Potenzial ungefähr 1,3 V, und
es kann als folgende chemische Reaktionsgleichung ausgedrückt
werden: Anode: H2 → 2H+
+ 2e Kathode: ½O2 +
2H+ +2e– → H2O
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Wärme,
die in einer Einheitszelle auf Grund der elektrochemischen Reaktion
erzeugt wird, kann durch folgende Formel ausgedrückt werden: Q = I × (1,23 – V)wobei
Q einen erzeugten kalorischen Wert bezeichnet, I einen elektrischen
Stromdurchsatz bezeichnet, und V bezeichnet einen Durchschnitt generierter Spannungen.
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Um
ein für ein Fahrzeug erforderliches elektrisches Potenzial
zu erhalten, müssen individuelle Einheitszellen zusammen
gestapelt werden, bis ein gewünschtes elektrisches Potenzial
erreicht ist. Die Einheit gestapelter Zellen bezieht sich auf einen
Stapel (das heißt Brennstoffzellenstapel). 1 zeigt eine
Konfiguration eines Brennstoffzellenstapels.
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Der
Brennstoffzellenstapel nach 1 wird so
hergestellt, dass Einheitszellen mit einer Stromkollektorplatte 104,
einer Isolationsplatte 105 und einer Koppelplatte 106 mit
einem Hochspannungsanschluss 107 unter Verwendung eines
Kupplungsbandes 108 und eines Bolzens 109 zusammengebaut werden.
Hier weist die Einheitszelle eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 100 auf,
welche Folgendes umfasst: eine Elektrolytmembran zur Übertra gung
von Wasserstoff-Protonen und Katalysatorlayern (Kathode und Anode),
die auf beiden Seiten der Elektrolytmembran als Beschichtung so
aufgebracht sind, dass Wasserstoff und Sauerstoff reagieren können;
ein Gasdiffusionslayer (GDL) 102; und ein Separator 103 zur
Zuführung von Brennstoff und Abflusswasser, welches durch
eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
generiert wird.
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In
dem Brennstoffzellenstapel, welcher im Wesentlichen die oben beschriebene
Konfiguration aufweist, wird Wasserstoff einer Anode zugeführt
und Luftsauerstoff wird einer Kathode zugeführt, derart, dass
eine elektrochemische Reaktion darin stattfindet, wobei elektrische
Energie hoher Leistung und Wasser erzeugt werden. Das heißt,
eine elektrochemische Reaktion findet statt auf Grund der gasförmigen
Reaktionspartner in den Katalysatorlayern der Brennstoffzelle, und
erzeugte Wasserstoff-Ionen bewegen sich durch einen Elektrolyt in
dem Katalysatorlayer und der Elektrolytmembran, und Elektronen bewegen
sich in einer Elektrizität erzeugenden Vorrichtung durch
den Katalysator, den Gasdiffusionslayer und den Separator.
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Insbesondere
bewegen sich Wasserstoff-Ionen, welche sich durch den Elektrolyt
oder die Elektrolytmembran bewegen, durch Wasser, welches in der
Elektrolytmembran vorkommt, und so müssen der Elektrolyt
in dem Katalysatorlayer und der Elektrolytmembran ausreichend hydriert
sein, damit die Brennstoffzelle bessere Leistungsfähigkeit
aufweist, und die gasförmigen Reaktionspartner müssen
leicht den Katalysatorlayer für die elektrochemische Reaktion
leicht erreichen.
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In
einem derartigen Brennstoffzellenstapel sind Elektroden, wie zum
Beispiel eine Kathode und eine Anode, Katalysatorlayer, die aus
einer Kombination eines Wasserstoff-Ionen-Trägers hergestellt sind,
beispielsweise Nafion mit einem Katalysator wie zum Beispiel Platin.
Ein solcher Brennstoffzellenstapel kann auf Grund einer elektrochemischen
Reaktion geringer aktiviert sein, was in einem anfänglichen
Betriebszustand einer hergestellten Brennstoffzelle auftritt. Die
Gründe sind die folgenden.
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Erstens
kann ein Reaktant einen Katalysator nicht erreichen, da ein Durchgang
für den Reaktanten blockiert ist.
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Zweitens
ist ein Wasserstoff-Ionen-Träger, beispielsweise Nafion,
welcher eine Dreiphasenschnittstelle mit einem Katalysator bildet,
in einem anfänglichen Betriebszustand bei weitem nicht
hydriert.
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Zuletzt
ist eine beständige Mobilität von Wasserstoff-Ionen
und Elektronen nicht sichergestellt.
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Aus
diesen Gründen ist ein Aktivierungsprozess erforderlich,
um eine Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle in maximaler
Höhe zu gewährleisten, nachdem eine Brennstoffzelle
zusammengebaut worden ist.
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Der
Zweck eines Aktivierungsprozesses, welcher auch als Vorkonditionierungsprozess
oder Aufbrech-Prozess bekannt ist, besteht darin, einen nicht reaktiven
Katalysator zu aktivieren und einen Elektrolyten, der in einer Elektrolytmembran
und einer Elektrode enthalten ist, ausreichend zu hydrieren, wodurch
ein Durchgang für Wasserstoff-Ionen sichergestellt wird.
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Ein
Aktivierungsprozess wird durchgeführt, damit eine Brennstoffzelle
ihre maximale Leistungsfähigkeit erreicht, nachdem eine
Brennstoffzelle zusammengebaut worden ist. Dies kann eine Anzahl von
Stunden oder Tagen basierend auf einer Betriebsbedingung dauern.
Zum Beispiel kann eine Brennstoffzelle auf Grund eines nicht angemessenen Aktivierungsprozesses
in einen Zustand gefahren werden, dass sie ihre maximale Leistungsfähigkeit nicht
erreicht.
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Wie
oben beschrieben ist, reduziert ein nicht angemessener Aktivierungsprozess
eine Durchsatzleistung einer Brennstoffzelle und erhöht
einen Wasserstoffverbrauch, wodurch Stapelkosten ansteigen und eine
Stapelleistung sich verschlechtert.
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Hersteller
von Brennstoffzellen haben Verfahren zum Aktivieren einer Brennstoffzelle
vorgeschlagen. Ein typisches Aktivierungsverfahren besteht darin,
eine Brennstoffzelle für eine lange Zeit unter einer spezifischen
Spannung zu betreiben.
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Zum
Beispiel ist ein Aktivierungsverfahren einer Festpolymer-Brennstoffzelle
in der
japanischen Patentanmeldung
Nr. 2003-143126 , Anmelder AISIN SEIKI Co. Ltd., offenbart.
Gemäß der
japanischen Patentanmeldung
Nr. 2003-143126 wird ein Brennstoffzellenstapel einer niedrigen
Spannung für eine lange Zeit ausgesetzt, derart, dass auch
ein Abschnitt, wo ihre Stapelleistung nicht länger verbessert ist,
aktiviert wird. In diesem Fall gibt es jedoch einen Nachteil darin,
dass es eine lange Zeit für eine Brennstoffzelle in Anspruch
nimmt, damit sie ihre maximale Leistungsfähigkeit erreicht,
wenn auch ein Aktivierungsprozess einfach ist.
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Als
ein weiteres Verfahren wird ein Verfahren zum Aktivieren einer Brennstoffzelle
mit Polymer-Elektrolytmembran unter Verwendung eines Stufenspannungsbetriebs
in der
koreanischen Patentanmeldung
Nr. 2005-0120743 , deren Anmelder der Anmelder der vorliegenden
Erfindung ist, offengelegt. Gemäß der
koreanischen Patentanmeldung Nr.
2005-0120743 wird ein Spannungszyklus ausgehend von einer
offenen Kreisspannung (OCV: Open Circuit Voltage) (1 Minute) bis
0,4 Volt (5 Minuten) auf einen Stapel bei einer hohen Betriebstemperatur (70°)
und einer relativen Feuchte (RH) von 100% (siehe
3)
aufgebracht, wodurch eine Aktivierungszeit einer Brennstoffzelle
auf innerhalb von ungefähr 3 Stunden reduziert wird. In
diesem Fall jedoch gibt es ein Problem, welches darin besteht, dass,
wenn eine Zeit zum Erreichen einer maximalen Ausgangsleistung nach
Herstellung eines Stapels übermäßig lang
ausfällt, kann ein Zeitwirkungsgrad erniedrigt werden,
welcher sich verringert, und eine preisliche Wettbewerbsfähigkeit
kann sich erniedrigen, da Wasserstoff und Sauerstoff bei Betrieb übermäßig
verbraucht werden.
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Die
obigen Informationen, welche in diesem Hintergrundabschnitt offenbart
wurden, sind nur zur Verbesserung des Verständnisses des
Hintergrunds der Erfindung, und deshalb kann er Informationen beinhalten,
welche nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in
diesem Land bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde in einem Bestreben gemacht, die zuvor
erwähnten Probleme, welche in Verbindung mit dem Stand
der Technik stehen, zu lösen. Eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, Vorrichtungen und Verfahren zum beschleunigten
Aktivieren einer Brennstoffzelle bereitzustellen, bei welcher eine
hohe Stapelleistung stabil und schnell sichergestellt wird, während
eine Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle mit Elektrolytmembran
bedeutend erhöht wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zum beschleunigten
Aktivieren einer Brennstoffzelle bereitzustellen, welche einen Wasserstoffverbrauch
für den Aktivierungsprozess minimieren können.
Ein noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
Aktivierungsvorrichtungen mit vereinfachter Konfiguration bereitzustellen.
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In
einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur beschleunigten Aktivierung einer Brennstoffzelle, welche Folgendes
aufweist: einen Brennstoffzellenstapel; Einrichtungen zur Luftzufuhr,
welche an eine Kathodenkatalysatorseite des Brennstoffzellenstapels
durch eine Massenstrom-Steuereinrichtung und einen Befeuchter gekoppelt
sind; Einrichtungen zur Wasserstoffzufuhr, welche an eine Anodenkatalysatorseite
des Brennstoffzellenstapels durch eine Massenstrom-Steuereinrichtung
und einen Befeuchter gekoppelt sind; einen Thermostat zur Zirkulation
von dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Kühlwasser;
und ein Kabel, das an beide Enden des Brennstoffzellenstapels zur
Kurzschließung der Kathode und der Anode gekoppelt ist.
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In
einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur beschleunigten Aktivierung einer Brennstoffzelle, welche Folgendes aufweist:
einen Brennstoffzellenstapel; Einrichtungen zur Luftzufuhr, welche
an eine Kathodenkatalysatorseite des Brennstoffzellenstapels durch
eine Massenstrom-Steuereinrichtung und einen Befeuchter gekoppelt
sind; ein Wasserstoffumlaufgebläse, welches an eine Auslassseite
für Wasserstoff des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist;
Einrichtungen zur Wasserstoffzufuhr, welche an eine Anodenkatalysatorseite
des Brennstoffzellenstapels über einen Niederdruckregler
gekoppelt sind; ein Entleerungsventil für Wasserstoff,
welches an einen Wasserstoffkanal des Brennstoffzellenstapels zum
Ablassen von in dem Wasserstoffkanal angesammelten Wasser gekoppelt
ist; einen Thermostat zur Zirkulation von dem Brennstoffzellenstapel
zuzuführenden Kühlmittel; und ein Kabel, das an
beide Enden des Brennstoffzellenstapels zur Kurzschließung
der Kathode und der Anode gekoppelt ist.
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In
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum beschleunigten Aktivieren einer Brennstoffzelle bereit, welches
die folgenden Verfahrensschritte aufweist: (a) Befestigen eines
Brennstoffzellenstapels an einer Aktivierungsvorrichtung; (b) Koppeln
eines Kabels an beide Enden des Brennstoffzellenstapels zum Kurzschließen einer
Kathode und einer Anode; (c) Zuführen eines gasförmigen
Recktanten, während Kühlwasser zu dem Brennstoffzellenstapel
zirkuliert, um dadurch ein Aktivieren des Brennstoffzellenstapels
zu beginnen; und (d) Einstellen einer Strömungsrate des
dem Brennstoffzellenstapel zugeführten gasförmigen Recktanten.
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In
einer bevorzugten Ausführung ist in dem Verfahrensschritt
(c), wenn die Kathode und die Anode durch das Kabel kurzgeschlossen
sind, ein Stromwert des Kabels abhängig von einer Strömungsrate des
gasförmigen Recktanten (Wasserstoff und Sauerstoff) und
bestimmt einen maximalen Stromwert des Stapels, wobei eine Stapelspannung
ungefähr 0 Volt beträgt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung besitzt in dem Verfahrensschritt
(c), wenn die Stapelspannung auf ungefähr 0 Volt abfällt,
ein kalorischer Stapelwert einen maximalen Wert, und so wird dem Stapel
von einem Thermostat Kühlwasser zugeführt.
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In
einer noch weiteren bevorzugten Ausführung wird der gasförmige
Reaktant in dem Verfahrensschritt (d) wiederholt mit einer niedrigen
Strömungsrate bis zu einer hohen Strömungsrate,
welche basierend auf eine elektrischen Stromdichte festgelegt ist,
zugeführt.
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In
einer noch weiteren bevorzugten Ausführung kann das Verfahren,
nachdem das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels begonnen hat,
wenn eine bestimmte Zellenspannung allmählich absinkt und
eine Zeit mit einer umgepolten Spannung von weniger als 0 Volt länger
als eine Referenzzeit dauert, den folgenden Verfahrensschritt aufweisen:
Einstellen einer Zeit für eine niedrige Strömungsrate
und einer Zeit für eine hohe Strömungsrate aufweisen, um
dadurch die Zeit mit einer umgepolten Spannung auf einen Zeit innerhalb
der Referenzzeit zu reduzieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung kann das Verfahren
weiterhin, wenn eine umgepolte Spannung durch einen Sauerstoffmangel
erzeugt wird, nachdem das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels
begonnen hat, den folgenden Verfahrensschritt aufweisen: Einstellen
einer Last, während eine Luftströmungsrate reduziert
wird, um dadurch eine Zellenspannung größer als
0 Volt beizubehalten.
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In
noch einer weiteren bevorzugten Ausführung kann das Verfahren
weiterhin, nachdem das Aktivieren des Brennstoffzellenstapels begonnen
hat, den folgenden Verfahrensschritt aufweisen: Mischen von trockenem
Wasserstoffgas, das von Einrichtungen zur Wasserstoffzufuhr zugeführt
wird, und Wasser, das zu einer Auslassseite von Wasserstoff des Brennstoffzellenstapels
abgelassen wird, indem ein Umlaufgebläse vor einem Zuführen
zum Brennstoffzellenstapel verwendet wird.
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In
einer noch weiteren bevorzugten Ausführung kann das Verfahren
weiterhin ein periodisches Ablassen von Wasser, welches sich in
einem Wasserstoffkanal des Brennstoffzellenstapels angesammelt hat,
durch ein Entleerungsventil für Wasserstoff aufweisen.
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Es
ist zu verstehen, dass der Begriff „Fahrzeug" oder „Fahrzeug-"
bzw. „fahrzeug-" oder ähnliche Ausdrücke,
die hier verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen mit einschließt,
wie beispielsweise Personenfahrzeuge einschließlich Geländewagen
(SUV: Sports Utility Vehicle), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene
Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt
von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen. Die vorliegenden
Vorrichtungen und Verfahren sind insbesondere bei einer breiten
Vielfalt von Kraftfahrzeugen verwendbar.
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Weitere
Aspekte der Erfindung werden weiter unten diskutiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden mit
Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungen davon
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von
denen
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1 eine
perspektivische Ansicht ist, welche einen typischen Brennstoffzellenstapel
illustriert;
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2 ein
Blockdiagramm ist, welches eine Aktivierungsvorrichtung für
Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung illustriert;
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3 ein
Graph zur Illustration eines herkömmlichen Verfahrens zum
Aktivieren einer Brennstoffzelle ist;
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4 ein
Graph ist, welcher ein Verfahren zum beschleunigten Aktivieren einer
Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung illustriert, in welchem eine Strömungsrate
eines gasförmigen Recktanten basierend auf einer elektrischen
Stromdichte eingestellt wird;
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5 ein
Graph zur Illustration eines Resultats eines Vergleichs der Leistungsfähigkeit
des herkömmlichen Aktivierungsverfahrens einer Brennstoffzelle
und des erfindungsgemäßen Aktivierungsverfahrens
einer Brennstoffzelle ist; und
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6 ein
Blockdiagramm ist, welches eine Vorrichtung zur Aktivierung einer
Brennstoffzelle gemäß einer weiteren beispielhaften
Ausführung der vorliegenden Erfindung illustriert.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es
wird nun ausführlich Bezug auf die Ausführungen
der vorliegenden Erfindung genommen, deren Beispiele in den begleitenden
Zeichnungen illustriert sind, wobei sich gleiche Bezugszeichen überall
auf gleiche Elemente beziehen. Die Ausführungen werden
unten zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung durch
Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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Gemäß den
Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden eine Kathode
und eine Anode eines Brennstoffzellenstapels kurzgeschlossen, und dann
wird ein beschleunigter Aktivierungsprozess wiederholt durchgeführt,
wobei ein beschleunigter Aktivierungsprozess zur Verbesserung der
Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle schnell vervollständigt
werden kann (innerhalb von ungefähr 30 Minuten).
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In
einem Aspekt, wie oben diskutiert ist, schafft die Erfindung eine
Vorrichtung zur beschleunigten Aktivierung einer Brennstoffzelle,
welche Folgendes aufweist: einen Brennstoffzellenstapel; Einrichtungen
zur Luftzufuhr, welche an eine Kathodenkatalysatorseite des Brennstoffzellenstapels
durch eine Massenstrom-Steuereinrichtung und einen Befeuchter gekoppelt
sind; Einrichtungen zur Wasserstoffzufuhr, welche an eine Anodenkatalysatorseite des
Brennstoffzellenstapels durch eine Massenstrom-Steuereinrichtung
und einen Befeuchter gekoppelt sind; und ein Kabel, das an beide
Enden des Brennstoffzellenstapels zur Kurzschließung der
Kathode und der Anode gekoppelt ist. Mit Bezug auf 2 wird
unten ein Verfahren zum beschleunigten Aktivieren einer Brennstoffzelle
gemäß einer beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Zuerst
wird ein Brennstoffzellenstapel 10 auf die Aktivierungsvorrichtung
montiert.
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Als
nächstes wird der Brennstoffzellenstapel 10 an
eine Gasleitung der Aktivierungsvorrichtung zur Gaszufuhr gekoppelt
und wird an einen Thermostat 12 zur Stapelkühlung
gekoppelt. Eine Anodenkatalysatorseite des Brennstoffzellenstapels 10 wird
an Einrichtungen 20 zur Wasserstoffzufuhr über
eine Massenstrom-Steuereinrichtung (MFC: Mass Flow Controller) 14 und
einen Befeuchter 16 angeschlossen, und eine Kathodenkatalysatorseite
des Brenn stoffzellenstapels 10 wird an Einrichtungen 18 zur Luftzufuhr über
die Massenstrom-Steuereinrichtung 14 und den Befeuchter 16 gekoppelt.
Ein Kabel 22 wird an beide Stapelenden zum Kurzschließen
der Kathode und der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 angeschlossen.
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Anschließend
wird gasförmiger Reaktant zugeführt, während
Kühlwasser zu einer Innenseite des Brennstoffzellenstapels 10 zirkuliert,
um dadurch eine beschleunigte Aktivierung der Brennstoffzelle zu starten.
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Das
heißt, da die Brennstoffzelle mit Polymer-Elektrodenmembran
Wasser und elektrische Energie, die durch elektrochemische Reaktion
zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, generiert, wird
zugeführter Wasserstoff in Wasserstoff-Ionen und Elektronen
durch den Katalysator in der Anode zerlegt, und die abgespaltenen
Wasserstoff-Ionen werden durch die Elektrolytmembran zu der Kathode übertragen.
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Zu
diesem Zeitpunkt, da die Kathode und die Anode kurzgeschlossen sind,
hängt ein elektrischer Stromwert in dem Kabel 22 zum
Kurzschließen der Kathode und der Anode von einer Strömungsrate
des gasförmigen Recktanten (Wasserstoff und Luft) ab und
bestimmt einen maximalen Stromwert des Stapels. Unterdessen bleibt
eine Stapelspannung bei ungefähr 0 Volt.
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Wenn
die Stapelspannung auf ungefähr 0 Volt abfällt,
weist ein kalorischer Stapelwert einen maximalen Wert gemäß der
oben beschriebenen mathematischen Formel auf.
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Detaillierter,
wenn die Stapelspannung ungefähr 0 Volt beträgt,
wenn der Brennstoffzellenstapel beschleunigt aktiviert wird, wird
ein kalorischer Stapelwert zu einem Wert nahe einem Maximalwert. Wenn
ein Kühlsystem bei einer Stapelaktivierung nicht vorgesehen
ist, kann eine Stapelbetriebstemperatur auf Grund eines kalorischen
Wertes eines Stapels selbst um mehr als zig Grade steil ansteigen,
mit dem Ergebnis einer Beschädigung der Brennstoffzelle,
welche betrieben wird. Aus diesem Grund ist ein Kühlsystem
zur Beibehaltung einer Stapel betriebstemperatur während
des beschleunigten Aktivierens gemäß der vorliegenden
Erfindung notwendig.
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Zu
diesem Zweck wird, damit die Stapelbetriebstemperatur beibehalten
wird, unter Verwendung eines Kühlsystems Kühlwasser
zum Umlauf von dem Thermostat 12 zu dem Stapel 10 und
wieder zurück geführt.
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Zuletzt
wird eine Strömungsrate des gasförmigen Recktanten
eingestellt.
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Der
gasförmige Reaktant wird basierend auf einer elektrischen
Stromdichte zugeführt, und dieser Wert ist veränderlich.
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Wenn
zum Beispiel eine Gasströmungsrate von einer niedrigen
Strömungsrate (während einer Minute) auf eine
hohe Strömungsrate (während drei Minuten) basierend
auf der Stromdichte eingestellt wird, wie in einem Graph von 4 gezeigt
ist, kann es vor einer Beendigung des Aktivierungsprozesses wiederholt
durchgeführt werden, zum Beispiel siebenmal (innerhalb
von ungefähr 30 Minuten).
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Der
Grund zur Zufuhr des gasförmigen Recktanten bei einer niedrigen
Strömungsrate besteht darin, den Stapel auf einer anfänglichen
Aktivierungsstufe zu stabilisieren und zu verhindern, das die Elektrolytmembran
und der Katalysatorlayer auf Grund eines hohen kalorischen Stapelwertes
zum Teil beschädigt werden.
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Andererseits
besteht der Grund zur Zufuhr des gasförmigen Recktanten
bei einer hohen Strömungsrate darin, die Reaktion innerhalb
des Stapels zu induzieren, dass sie mit voller Kapazität
ausgeführt wird, um so die Elektrolytmembran und den Katalysatorlayer
umgehend zu aktivieren, und um zu verhindern, dass das Gas in einem
Reaktionsbereich während der elektrochemischen Reaktion örtlich durch
Leckage austritt, und um einen Reaktionskanal des Recktanten sicherzustellen.
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Zu
diesem Zweck, wenn Gas in einem stöchiometrischen Verhältnis
von 2,0/2,0 mit einem maximalen Stromwert während des beschleunigten
Aktivierens zugeführt wird, ist es die stabilste Strömungsrate.
Eine große Menge Wasser, welches durch die elektrochemische
Reaktion erzeugt wird, kann leicht durch eine übermäßige
Menge zugeführten Gases bei dem stöchiometrischen
Verhältnis von 2,0/2,0 abgelassen werden, so dass ein Durchgang des
gasförmigen Recktanten schnell gewährleistet sein
kann, und ein Hydrierungszustand der Brennstoffzelle beibehalten
werden kann.
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Indessen,
wenn der Brennstoffzellenstapel durch den oben beschriebenen Drei-Schritt-Aktivierungsprozess
gemäß der vorliegenden Erfindung beschleunigt
aktiviert wird, kann jede Zellenspannung des Stapels zum Teil eine
umgepolte Spannung aufweisen, da die Kathode und die Anode kurzgeschlossen
sind.
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Einem
Fachmann ist es bekannt, dass, wenn eine Zelle unter ungefähr –0,8
Volt für 20 Minuten steht, es eine Zellenleistung nicht
beeinflusst. Damit jedoch eine Spannung einer bestimmten Zelle eine umgepolte
Spannung von weniger als 0 Volt aufweist, ist es notwendig, eine
Betriebszyklusperiode für eine stabile Zellaktivierung
zu reduzieren.
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Ausführungen
der vorliegenden Erfindung stellen zwei Verfahren zum Verhindern
eines Auftretens von umgepolter Spannung bereit.
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Erstens,
wenn, nachdem ein Aktivieren der Brennstoffzellen begonnen hat,
eine bestimmte Zellenspannung nach und nach abfällt, und
einen Zeit zum Aufweisen einer umgepolten Spannung von weniger als
0 Volt mehr als 30 Sekunden andauert, was eine Referenzzeit ist,
wird eine Zyklusperiode geändert, um einen Aktivierungsprozess
durchzuführen, bei welchem eine Zeit mit einer umgepolten
Spannung auf innerhalb von 30 Sekunden reduziert ist. Zum Beispiel
kann eine Zeit mit einer umgepolten Spannung auf innerhalb von 30
Sekunden verringert werden, so dass eine Zeit für eine
niedrige Strömungsrate auf 30 Sekunden reduziert eingestellt wird,
und eine Zeit für eine hohe Strömungsrate auf eine
Minute reduziert eingestellt wird.
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Zweitens,
kann eine umgepolte Spannung durch Reduktion einer Strömungsrate
und Einstellung einer Last verhindert werden. Insbesondere kann
eine umgepolte Spannung durch einen Brennstoffmangel bei Aktivierung
erzeugt werden, wobei ein Kohlenstoffträger auf einer Luftseiten-Elektrode korrodiert
sein kann. Um die Luftseiten-Elektrode vor Korrosion zu schützen,
kann zum Beispiel eine Last eingestellt werden, während
eine Luftströmungsrate reduziert wird, um eine Zellenspannung
größer als 0 Volt beizubehalten.
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Wie
in einem Graph von
5 dargestellt ist, weisen das
herkömmliche Aktivierungsverfahren, das in der
koreanischen Patentanmeldung
Nr. 2005-120743 offenbart ist, und das Verfahren gemäß der
Ausführung der vorliegenden Erfindung eine ähnliche
Leistungsfähigkeit auf, aber das vorliegende Verfahren
besitzt eine höhere Stapelleistung in einem hohen Stromdichtebereich
im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren.
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Wie
oben diskutiert schafft die vorliegenden Erfindung in einem weiteren
Aspekt eine Vorrichtung zur beschleunigten Aktivierung einer Brennstoffzelle, welche
ein Wasserstoffumlaufgebläse und ein Entleerungsventil
für Wasserstoff aufweist. Mit Bezugnahme auf 6 wird
unten ein Verfahren zum beschleunigten Aktivieren einer Brennstoffzelle
gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Ähnlich
zu der in 1 beschriebenen Vorrichtung,
weist die Vorrichtung nach 6 ein Kabel 22
zum Kurzschließen einer Kathode und einer Anode eines Stapels 10 und
einen Thermostat 12 auf, der mit dem Stapel 10 als
ein Kühlsystem zur Kühlung des Stapels 10 gekoppelt
ist.
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In
dieser Ausführung wird jedoch ein Aktivierungsprozess unter
Verwendung eines Umlauf- bzw. Zirkulationgebläses 24 durchgeführt,
um einen Wasserstoffverbrauch so weit als möglich zu reduzieren.
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Das
Umlaufgebläse 24 ist an eine Auslassseite für
Wasserstoff zur erneuten Verwendung von Wasserstoff gekoppelt, wodurch
ein Wasserstoffverbrauch von ungefähr 1,0 immer beibehal ten
werden kann. Mit dieser Konfiguration sind eine Massenstrom-Steuereinrichtung 14 für
Wasserstoff und ein Befeuchter 16 für Wasserstoff
nicht notwendig.
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Während
die Brennstoffzelle aktiviert wird, wird auch Wasser zu der Auslassseite
für Wasserstoff abgelassen und mit trockenem Wasserstoffgas gemischt,
indem das Umlaufgebläse 24 benutzt wird und sie
dem Stapel 10 zugeführt werden. Deshalb gibt es
keine Notwendigkeit für einen separaten Befeuchter. Das
trockene Wasserstoffgas kann durch eine Druckeinstellung unter Verwendung
eines Niederdruckreglers 26 zugeführt werden.
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In
dieser Ausführung wird dem Stapel 10 zuerst reine
befeuchtete Luft für ungefähr 5 Minuten vor einer
beschleunigten Aktivierung unter Verwendung des Wasserstoffumlaufgebläses 24 zugeführt,
um die Wasserstoffseitenelektrode vor Beschädigung durch Erzeugung
eines elektrischen Stroms in einem Zustand zu schützen,
in dem eine Wasserstoffseite in dem anfänglichen Zustand
trocken ist.
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Die
Auslassseite für Wasserstoff muss periodisch entleert werden,
indem ein Entleerungsventil 28 für Wasserstoff
verwendet wird, um eine große Menge Wasser abzulassen,
das sich in einem Wasserstoffkanal angesammelt hat.
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Ein
Verfahren zum beschleunigten Aktivieren, das für diese
Vorrichtung benutzt wird, wird in einer Art und Weise durchgeführt,
die ähnlich oder gleich derjenigen für die Vorrichtung
nach 2 ist, und eine detaillierte Beschreibung davon
wird somit ausgelassen.
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Indessen
ist es gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig,
nachdem der Aktivierungsprozess des Brennstoffzellenstapels beendet
ist, das Kabel zum Kurzschließen der Kathode und der Anode
des Stapels zu entfernen.
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Das
bedeutet, dass, bevor das Kabel entfernt wird, der Strömungsprozess
notwendig ist, um eine hohe Spannung des Stapels, die durch verbleibendes
Gas verursacht wird, zu entfernen.
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In
der Endphase des Aktivierungsprozesses der Brennstoffzelle wird
Wasserstoff ständig bei einer minimalen Strömungsrate
zugeführt, und gleichzeitig wird eine Zufuhr von Luft angehalten.
Wenn jede Zellenspannung eine Spannung von weniger als 0,1 Volt aufweist,
wird eine Zufuhr von Wasserstoff angehalten.
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Deshalb,
da Luftseiten-Sauerstoff in der Endphase des Aktivierungsprozesses
entfernt wird, kann das Kabel sicher entfernt werden, während
eine Unterdrückung einer Korrosionsmöglichkeit
eines Luftseiten-Kohlenstoffträgers, verursacht durch Bilden der
Wasserstoff/Sauerstoff-Schnittstelle, stattfindet.
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Die
Vorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung weisen die folgenden Vorteile auf.
- 1)
Da die Kathode und Anode direkt kurzgeschlossen werden, bevor gasförmiger
Reaktant zugeführt wird, wird die Stapelspannung auf ungefähr
0 Volt abgesenkt, und die Elektrolytmembran und der Katalysatorlayer
können schnell aktiviert werden.
- 2) Eine Zeit zum Aktivieren der Brennstoffzelle wird um ein
Zehntel (1/10) reduziert im Vergleich mit dem herkömmlichen
Aktivierungsverfahren, wodurch der Stapeldurchsatz verbessert wird.
- 3) Ein kalorischer Kühlungswert des Stapelkopplungsgliedes
selbst kann bei Aktivierung eines Einheitszellenstapels mit kleinen/großen
Abmessungen für die Evaluation der physikalischen Eigenschaft
verwendet werden, und somit ist ein separates Kühlsystem
zur Beibehaltung der Stapeltemperatur während der Aktivierung
nicht notwendig.
- 4) Der Aktivierungsprozess wird ein einem Zustand durchgeführt,
dass die Kathode und die Anode durch das Kabelkurzgeschlossen sind,
und so können teure Komponenten ersetzt werden, was zu
einer Aktivierungsvorrichtung zu einem niedrigen Preis führt.
- 5) Wenn das Wasserstoffumlaufgebläse Verwendung findet
(das heißt, wenn die Massenstrom-Steuereinrichtung auf
der Wasserstoffseite und der Befeuchter auf der Wasserstoffseite,
welche kostenaufwändig sind, nicht benutzt werden) können
Herstellungskosten weiter reduziert werden.
- 6) Der Wasserstoffverbrauch des herkömmlichen Verfahrens
beträgt 1200 L/Zelle, wohingegen der Wasserstoffverbrauch
des vorliegenden Verfahrens bei 300 L/Zelle liegt, was bedeutet,
dass der Wasserstoffverbrauch auf weniger als ein Viertel (1/4)
verringert werden kann, und Stapelherstellkosten können
so reduziert werden.
- 7) Wenn das Wasserstoffumlaufgebläse verwendet wird,
kann der Wasserstoffverbrauch weiter auf ungefähr die Hälfte
(1/2) reduziert werden, wodurch Stapelherstellkosten bedeutend reduziert
werden
- 8) Dementsprechend kann die Leistungsfähigkeit des
Brennstoffzellenstapels schnell und stabil verbessert werden, und
die Gesamtleistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle mit
Elektrolytmembran kann ebenfalls bedeutend verbessert werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungen
davon beschrieben worden ist, ist es jedoch für den Fachmann
verständlich, dass eine Vielzahl von Modifikationen und Variationen
an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können,
ohne den Sinn oder Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen,
welche in den beigefügten Ansprüchen und ihrer Äquivalenten
festgelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-143126 [0020, 0020]
- - KR 2005-0120743 [0021, 0021]
- - KR 2005-120743 [0065]