DE102008006729A1 - Strategien zum Mindern einer Zellendegradation während eines Einschaltens und Abschaltens mit H2/N2-Speicherung - Google Patents

Strategien zum Mindern einer Zellendegradation während eines Einschaltens und Abschaltens mit H2/N2-Speicherung Download PDF

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Abstract

Ein System und Verfahren zum Reduzieren von Kathodenkohlenstoffkorrosion während des Einschaltens eines Brennstoffzellenstapels. Wenn ein ausreichend langer Zeitraum seit dem letzten Systemabschalten verstrichen ist, dass sind sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite des Stapels mit Luft gefüllt. Wenn das System geteilte Unterstapel umfasst, dann nutzt eine Einschaltfolge ein schnelles separates Wasserstoffspülen durch jeden Unterstapel, um die Zeit des Strömens der Wasserstoff/Luft-Front durch die Anodenseite der Stapel zu minimieren. Die Einschaltfolge nutzt dann gleichzeitig ein langsames Wasserstoffspülen durch die Unterstapel. Wenn die Zeit seit dem letzten Abschalten kurz genug ist, wobei noch eine signifikante Wasserstoffmenge in der Kathodenseite und der Anodenseite der Unterstapel vorhanden ist, dann kann auf das schnelle Wasserstoffspülen verzichtet werden und die Einschaltfolge rückt direkt zu dem langsamen Wasserstoffspülen vor.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und ein Verfahren zum Reduzieren einer Katalysatordegradation in den MEAs eines Brennstoffzellenstapels bei einem Systemeinschalten, und insbesondere ein System und Verfahren zum Reduzieren einer Kathodenkatalysatordegradation in den MEAs eines Brennstoffzellenstapels bei einem Systemabschalten und Systemeinschalten, was das Ermitteln einer Anodenspülgeschwindigkeit und -zeit abhängig von der Dauer des Abschaltens des Stapels umfasst.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode gespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen wandern durch den Elektrolyt zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt treten und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geleitet werden.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine beliebte Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln gelagert sind und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus katalytischer Mischung der Anode, katalytischer Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly).
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die Sollleistung zu erzeugen. Bei dem voranstehend erwähnten Brennstoffzellenstapel eines Kraftfahrzeugs kann der Stapel zweihundert oder mehr Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktantgas auf, typischerweise einen von einem Verdichter durch den Stapel gedrückten Luftstrom. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel aufgebracht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktantgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
  • Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömkanäle vorgesehen, die das Anodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengas-Strömkanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktantgas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömkanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömkanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, beispielsweise Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömkanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
  • Wenn ein Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, verbleibt nicht reagiertes Wasserstoffgas in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels. Dieses Wasserstoffgas kann durch oder über die Membran diffundieren und mit dem Sauerstoff in der Kathodenseite reagieren. Wenn das Wasserstoffgas zur Kathodenseite diffundiert, wird der Gesamtdruck an der Anodenseite des Stapels auf einen Wert unter dem Umgebungsdruck gesenkt. Diese Druckdifferenz saugt Luft aus der Umgebung in die Anodenseite des Stapels. Wenn die Luft in die Anodenseite des Stapels eindringt, erzeugt sie eine Luft/Wasserstoff-Front, die einen Kurzschluss in der Anodenseite erzeugt, was zu einem seitlichen Strömen von Wasserstoffionen aus dem mit Wasserstoff gefluteten Teil der Anodenseite zu dem mit Luft gefluteten Teil der Anodenseite führt. Dieser hohe Ionenstrom verbunden mit dem hohen seitlichen Innenwiderstand der Membran erzeugt einen signifikanten seitlichen Potentialabfall (~ 0,5 V) über der Membran. Dies erzeugt ein lokales hohes Potential zwischen der Kathodenseite gegenüber dem luftgefüllten Teil der Anodenseite und angrenzend zum Elektrolyt, was eine schnelle Kohlenstoffkorrosion antreibt und ein Dünnerwerden der Kohlenstoffschicht bewirkt. Dies reduziert den Träger der Katalysatorpartikel, was die Leistung der Brennstoffzelle verringert.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, das Wasserstoffgas bei einem Systemabschalten aus der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zu spülen, indem Luft von dem Verdichter bei hohem Druck in die Anodenseite gedrückt wird. Das Luftspülen erzeugt auch eine Luft/Wasserstoff-Front, welche die Kohlenstoffkorrosion der Kathode bewirkt, wie voranstehend erläutert wurde. Somit ist es wünschenswert, die Verweilzeit der Luft/Wasserstoff-Front so kurz wie möglich zu halten, wobei die Verweilzeit der Front als das Anodenströmkanalvolumen dividiert durch die Luftspül-Strömrate festgelegt ist. Höhere Spülraten reduzieren die Verweilzeit der Front bei einem festen Anodenströmkanalvolumen.
  • Im Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, ein Kathodenumwälzen vorzusehen, um eine Kathodenkorrosion bei einem Systemabschalten zu mindern. Insbesondere ist es bekannt, bei einem Systemabschalten eine Mischung aus Luft und einer kleinen Menge an Wasserstoff durch die Kathodenseite des Stapels zu pumpen, so dass sich der Wasserstoff und der Sauerstoff in der Kathodenseite vereinen, um die Sauerstoffmenge und somit das Potential, das die Kohlenstoffkorrosion bewirkt, zu senken.
  • Es ist auch bekannt, bei einem Systemabschalten den Stapel mit einem Widerstand kurzzuschließen, um die Sauerstoffmenge an der Kathodenseite des Stapels und somit die Kathodenseitenkorrosion zu mindern. Es hat sich gezeigt, dass diese beiden Techniken eine Minderung von Kohlenstoffkorrosion an der Kathodenseite des Stapels bieten. Es können aber Verbesserungen vorgenommen werden.
  • Beim nächsten Systemeinschalten werden unter der Annahme, dass genügend Zeit verstrichen ist, sowohl die Kathoden- als auch die Anoden-Strömkanäle allgemein mit Luft gefüllt. Wenn bei einem Systemeinschalten Wasserstoff in die Anodenströmkanäle eingeleitet wird, drückt der Wasserstoff die Luft in den Anodenströmkanälen heraus, was ebenfalls eine Wasserstoff/Luft-Front erzeugt, die sich durch die Anodenströmkanäle bewegt. Die Wasserstoff/Luft-Front bewirkt eine katalytische Reaktion entlang der Länge der Membran in jeder Brennstoffzelle, wenn sich die Front bewegt, die kombiniert mit der Reaktion über der Membran ein hohes elektrisches Spannungspotential erzeugt. Dieses kombinierte elektrische Spannungspotential ist hoch genug, um den Katalysator und die Kohlenstoffpartikel, an denen der Katalysator ausgebildet ist, stark zu degradieren, was die Lebensdauer der MEAs in dem Brennstoffzellenstapel verkürzt. Insbesondere ist die durch die Wasserstoff/Luft-Front erzeugte Reaktion kombiniert mit der normalen Brennstoffzellenreaktion um Größenordnungen stärker als die Brennstoffzellenreaktion über der Membran allein. Es wurde zum Beispiel gezeigt, dass ohne ein Beheben der Degradationswirkungen der Wasserstoff/Luft-Front bei einem Systemeinschalten nur etwa 100 Abschalt- und Einschaltzyklen erforderlich sind, um den Brennstoffzellenstapel auf diese Weise zu zerstören.
  • Im Stand der Technik wurde vorgeschlagen, die Degradationswirkung der Wasserstoff/Luft-Front bei einem Systemeinschalten durch schnellstmögliches Drücken von Wasserstoff durch die Anodenströmkanäle zu vermindern, um die Zeit zu verkürzen, bei der die Degradation eintritt. Es wurde ferner vorgeschlagen, Wasserstoff mit einer langsamen Rate in die Anodenströmkanäle einzuleiten, um ein aktives Mischen der Luft und des Wasserstoffs vorzusehen, um die Wasserstoff/Luft-Front zu beseitigen. Es wurde im Stand der Technik auch vorgeschlagen, die Brennstoffzelle vor dem Entfernen des Wasserstoffs aus den Anodenströmkanälen zu kühlen.
  • Alle diese Lösungen haben aber nicht die Wasserstoff/Luft-Degradation ausreichend gemindert, um eine erwünschte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels bereitzustellen. Insbesondere behebt das schnelle Bewegen der Wasserstoff/Luft-Front die Degradation des Katalysators nicht vollständig und erfordert übergroße Rohre und andere Komponenten zum schnellen Spülen der Luft aus den Anodenströmkanälen. Das langsame Einleiten des Wasserstoffs bei einem Einschalten hat den Nachteil, dass es eine Umwälzpumpe erfordert, die mehrere Minuten braucht, um die Luft vollständig aus den Anodenströmkanälen zu entfernen. Weiterhin ist die Anforderung einer präzisen Steuerung der Wasserstoffmenge in die Anodenströmkanäle schwierig zu implementieren.
  • Im Stand der Technik wurde auch vorgeschlagen, die Materialien in den MEAs zu ersetzen, so dass der Kohlenstoff weniger anfällig für die Wasserstoff/Luft-Reaktion ist. Ein Beispiel ist die Verwendung von graphitiertem Kohlenstoff. Bei dieser Lösung gibt es aber gewisse Probleme, welche die Leistung des Brennstoffzellenstapels senken.
  • Im Stand der Technik wurde auch vorgeschlagen, über dem Brennstoffzellenstapel eine Last vorzusehen, beispielsweise einen Widerstand, um das durch die Wasserstoff/Luft-Front erzeugte elektrische Potential zu senken. Eine äußerst niedrige Widerstandslast erfordert aber elektrische Komponenten mit einer hohen Belastbarkeit. Ferner kann ein Strömen und Ausgleichen zwischen Zellen in einem Brennstoffzellenstapel zu Korrosion bei den Zellenanoden führen. Weiterhin ist in den meisten Ausführungsformen ein Widerstand typischerweise allein nicht ausreichend, um eine Kohlenstoffkorrosion zu minimieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Nach der erfindungsgemäßen Lehre werden ein System und Verfahren zum Mindern einer Kathodenkohlenstoffkorrosion während eines Abschaltens und Einschaltens eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Beim Systemabschalten wird der Kathodenluftstrom unterbunden und die Kathodenseite des Stapels wird abgedichtet. Das Strömen von Wasserstoff zur Anodenseite des Stapels wird fortgeführt, so dass irgendwelcher in dem Stapel verbleibender Sauerstoff aufgebraucht wird. Die Anodenseite des Stapels wird abgedichtet, so dass das Strömen nur zum Ersetzen des Wasserstoffs dient, der zur Kathodenseite des Stapels gepumpt wurde, statt eines Strömens von Wasserstoff, der aus dem Anodensubsystem austritt. Wenn die Stapelleistung auf einen vorbestimmten Pegel fällt, wird der durch den Stapel erzeugte elektrische Strom zu einer bestimmten Systemkomponente, beispielsweise einer Batterie, geleitet. Wenn die Stapelleistung auf einen weiteren vorbestimmten Pegel sinkt, wird die Stapellast zu einem Widerstand umgeschaltet. Sobald der Sauerstoff aus dem Stapel aufgebraucht ist, wird der Wasserstoffstrom abgeschaltet und die Anodenseite des Stapels wird abgedichtet, so dass sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite des Stapels ein N2/H2-Gemisch aufweisen.
  • Wenn seit dem letzten Systemabschalten ein ausreichend langer Zeitraum verstrichen ist, dann werden sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite des Stapels mit Luft gefüllt. Wenn das System geteilte Unterstapel umfasst, dann nutzt eine Einschaltfolge ein schnelles Wasserstoffspülen separat durch jeden Unterstapel, um die Zeit des Strömens der Wasserstoff/Luft-Front durch die Anodenseite der Stapel zu minimieren. Ferner wird ein Verdichter betrieben, um Kathodenluft an eine Kathodenabgasleitung zu liefern, welche die Unterstapel umgeht, so dass irgendwelcher Wasserstoff, der in dem Spülgas vorhanden sein kann, verdünnt wird. Dann nutzt die Einschaltfolge zu dem gleichen Zeitpunkt, da der Verdichter Luft zur Kathodenseite des Stapels strömen lässt, ein langsames Wasserstoffspülen durch die Unterstapel. Wenn die Zeit seit dem letzten Abschalten kurz genug ist, wobei noch eine signifikante Wasserstoffmenge in der Kathodenseite und der Anodenseite der Unterstapel vorhanden ist, dann kann auf das schnelle Wasserstoffspülen verzichtet werden und die Einschaltfolge rückt direkt zu dem langsamen Wasserstoffspülen vor.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform verschiedene Techniken zum Mindern von Kathodenkohlenstoffdegradation bei Systemabschalten und -einschalten nutzt.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zum Minimieren von Kathodenkohlenstoffdegradation bei Systemabschalten und -einschalten gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Gebrauchsmöglichkeiten beschränken.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem ersten geteilten Brennstoffzellenstapel 12 und einem zweiten geteilten Brennstoffzellenstapel 14. Ein Verdichter 16 liefert an einer Kathodeneingangsleitung 18 Kathodeneingangsluft durch ein normalerweise geschlossenes Kathodeneingangsventil 20 zu den geteilten Stapeln 12 und 14. Das Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel an Leitung 24 abgegeben und das Kathodenabgas wird von dem geteilten Stapel 14 an Leitung 26 abgegeben, wobei das Kathodenabgas in einer einzigen Kathodenausgangsleitung 28 vereint wird. Ein normalerweise geschlossenes Kathodengegendruckventil 30 steuert das Strömen des Kathodenabgases durch die Leitung 28. Eine zwischen der Eingangsleitung 18 und der Ausgangsleitung 28 vorgesehene Kathodenumgehungsleitung 32 ermöglicht es der Kathodeneingangsluft, die Stapel 12 und 14 zu umgehen. Ein normalerweise geschlossenes Umleitventil 34 steuert, ob die Kathodenluft die Stapel 12 und 14 umgeht. Wenn die Ventile 20 und 30 geschlossen sind und das Ventil 34 offen ist, dann umgeht Luft von dem Verdichter 16 die Stapel 12 und 14. Typischerweise ist eine (nicht dargestellte) Kathodenbefeuchtungseinheit an einer geeigneten Stelle in der Kathodeneingangsleitung 18 vorgesehen.
  • In dieser nicht einschränkenden Ausführungsform nutzen die geteilten Stapel 12 und 14 ein Umschalten der Anodenströmung, wobei das Anodenreaktantgas mit einem vorbestimmten Zyklus in einer Weise durch die geteilten Stapel 12 und 14 vor und zurück strömt, die dem Fachmann gut bekannt ist. In abwechselnder Folge spritzt ein Injektor 38 Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffgasquelle 40 durch eine Anodenleitung 42 zu dem geteilten Stapel 12 ein und ein Injektor 44 spritzt Wasserstoffgas aus einer Wasserstoffquelle 46 durch eine Anodenleitung 48 zu dem geteilten Stapel 14 ein. Zum Vorsehen des Umschaltens der Anodenströmung werden normalerweise geschlossene Anodenströmungsumschaltventile 50 und 52 verwendet. Wenn das Ventil 50 geschlossen ist und das Ventil 52 geöffnet ist, strömt Wasserstoffgas aus der Quelle 40 auf der Leitung 42 in den Stapel 12, durch eine Verbindungsleitung 54 zwischen den geteilten Stapeln 12 und 14, in den geteilten Stapel 14 und durch das Ventil 52 aus der Anodenleitung 46 heraus, um mit dem Kathodenabgas in der Kathodenabgasausgangsleitung 28 gemischt zu werden. Wenn analog das Ventil 52 geschlossen ist und das Ventil 50 geöffnet ist, strömt Wasserstoffgas von der Wasserstoffquelle 46 auf der Leitung 46 in den geteilten Stapel 14, durch die Verbindungsleitung 54, in den geteilten Stapel 12 und durch das Ventil 50, um mit dem Kathodenabgas in der Leitung 28 gemischt zu werden.
  • Ein Wasserabscheider 60 ist mit der Verbindungsleitung 54 verbunden und sammelt Wasser in dem Anodengasstrom zwischen den geteilten Stapeln 12 und 14. Ein normalerweise geschlossenes Ablassventil 62 wird regelmäßig geöffnet, um auf einer Leitung 64 das Wasser zu der Kathodenabgasleitung 28 abzulassen. Ferner ist ein Anodenabgasspülventil 66 mit der Verbindungsleitung 54 und der Leitung 64 aus Gründen verbunden, die aus der nachstehenden Erörterung hervorgehen.
  • Die Brennstoffzellenstapel 12 und 14 erzeugen elektrischen Strom. Während eines normalen Stapelbetriebs wird der von den Stapeln 12 und 14 erzeugte elektrische Strom zum Antreiben von Systemlasten verwendet, beispielsweise eines elektrischen Antriebssystems (ETS, kurz vom englischen Electrical Traction System) 70 an einem Fahrzeug. Wie nachstehend näher erörtert wird, kann der von den Stapeln 12 und 14 erzeugte elektrische Strom während einer Abschaltfolge zum Laden einer Batterie 72 verwendet werden oder durch andere Systemkomponenten dissipiert werden und dann durch einen Widerstand 74 dissipiert werden.
  • Bei einem Systemabschalten wird der Verdichter 16 angehalten und die Ventile 20 und 30 werden geschlossen, um die Kathodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten. Das Strömen von Wasserstoff wird fortgeführt, so dass irgendwelcher in den Stapeln 12 und 14 verbleibender Sauerstoff aufgebraucht wird. Wenn die Stapelleistung auf einen vorbestimmten Pegel fällt, wird der von den Stapeln 12 und 14 erzeugte elektrische Strom von dem ETS 70 zur Batterie 72 umgeschaltet. Wenn die Stapelleistung auf einen weiteren vorbestimmten Pegel fällt, wird die Stapellast zu dem Widerstand 74 umgeschaltet. Sobald die elektrische Spannung sich insbesondere auf eine feste Sperrspannung verschlechtert hat, wird die Stapellast zu dem Widerstand 74 umgeschaltet. Die Sperrspannung könnte der untere Grenzwert eines (nicht dargestellten) Gleichspannungswandlers oder der untere Grenzwert einer Leistungsvorrichtung sein. Das Ziel der Batterielast ist das Aufbrauchen und/oder Speichern von Energie, die ansonsten verloren gehen würde. Es mindert auch die Energieverbrauchsanforderungen der Widerstandslast.
  • Sobald der Sauerstoff aus den Stapeln 12 und 14 aufgebraucht ist, wird der Wasserstoffstrom abgeschaltet und die Ventile 50, 52, 62 und 66 werden geschlossen, um die Anodenseite der Stapel 12 und 14 abzudichten. Wenn das System 10 auf diese Weise abgeschaltet ist, umfassen die Stapel 12 und 14 eine N2/H2-Mischung sowohl in der Kathodenseite als auch in der Anodenseite. Im Laufe der Zeit leckt Luft in die Stapel 12 und 14, und der Wasserstoff in dem Stapel 12 und 14 verbraucht zunächst den Sauerstoff. Zudem leckt der Wasserstoff langsam aus den Stapeln 12 und 14. Dadurch verändert sich die Zusammensetzung der Gase in den Stapeln 12 und 14 im Laufe der Zeit zwischen einem wasserstoffreichen Gemisch in Stickstoff und Wasser zu einem Luftgemisch.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine bestimmte Schrittfolge beim nächsten Systemeinschalten vor, um die Kathodenkatalysatorkorrosion zu minimieren. Die Schrittfolge ändert sich abhängig davon, wie lange das System 10 abgeschaltet war, d. h. wie weit die Anodenseite und die Kathodenseite der Stapel 12 und 14 von einem Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch zu Luft gewechselt sind. Die Folge ist in einen schnellen Wasserstoffspülzustand und einen langsamen Wasserstoffspülzustand der Anodenseite der Stapel 12 und 14 unterteilt. Wie nachstehend näher erörtert wird, hängen die Schnelligkeit des Wasserstoffstroms durch die Anodenseite der Stapel 12 und 14 und die Zeitdauer der beiden Zustände von der Zeit, die das System 10 abgeschaltet ist, der Umgebungstemperatur und anderen Faktoren ab, wobei die Zeitdauer seit dem vorherigen Systemabschalten festgehalten wird.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, bei einem Systemeinschalten so schnell wie möglich Wasserstoff durch die Anodenseite der Stapel 12 und 14 zu drücken, um die Zeit zu minimieren, in der die Wasserstoff/Luft-Front in den Anodenströmkanälen vorliegt, die eine Kathodenkatalysatordegradation bewirkt. Aus Tests und verschiedenen Berechnungen ist bekannt, wie lange die Stapel 12 und 14 brauchen, um sich nach einem Systemabschalten mit Luft zu füllen. Wenn die Stapel 12 und 14 keine signifikante Luftmenge enthalten, dann ist eine langsamere Wasserstoff/Luft-Front annehmbar. Wenn die Stapel 12 und 14 eine signifikante Luftmenge enthalten, dann ist eine schnelle Geschwindigkeit der Wasserstoff/Luft-Front besser.
  • Wenn die anfängliche Wasserstoff/Luft-Front durch die Stapel 12 und 14 strömt, wird der Widerstand 74 über dem Stapel aktiviert. Der Widerstand 74 dient zum teilweisen Unterbinden der Kathodenspannung. Typischerweise weist der Widerstand 74 einen kleinen Widerstandswert zum Vorse hen eines höheren Leistungsstroms und niedrigerer Kohlenstoffkorrosion auf. In gleicher Weise ist die Kohlenstoffkorrosion umso geringer, je schneller die Wasserstoff/Luft-Front ist.
  • Unter der Annahme, dass das System 10 ausreichend lange abgeschaltet war, so dass sich die Stapel 12 und 14 mit Luft füllen konnten, führt das System 10 den schnellen Wasserstoffspülzustand zuerst aus. Erfindungsgemäß werden die geteilten Stapel 12 und 14 bei einem Systemeinschalten separat mit Wasserstoff gespült. Während der Einschaltfolge ist der Wasserdampfspeicher 60 leer. Der Injektor 38 wird so gesteuert, dass eine vorbestimmte Wasserstoffmenge in den Stapel 12 bei hoher Geschwindigkeit eingespritzt wird. Das Ablassventil 62 und das Spülventil 66 werden geöffnet, so dass die Luft in der Anodenseite des geteilten Stapels 12 durch die Verbindungsleitung 54, durch die Ventile 62 und 66, durch die Leitung 64 und in die Kathodenabgasleitung 28 gedrückt wird. Der Verdichter 16 wird betrieben und das Umleitventil 34 wird geöffnet, so dass Luft mit dem Anodenspülgas gemischt wird, um eventuell vorhandenen Wasserstoff weiter zu verdünnen. Wenn der Stapel 12 gespült wird, ist das durch das Ablassventil 62 und das Spülventil 66 gedrückte Gas zunächst Luft, dann eine Mischung aus Wasserstoff und Luft und dann nahezu reiner Wasserstoff. Die Wasserstoffmenge, die durch den geteilten Stapel 12 gedrückt werden kann, steht im Verhältnis zum Betrag der Verdünnung, die durch die Verdichterluft vorgesehen werden kann. In einer Ausführungsform muss die Wasserstoffkonzentration, die an die Umwelt ausgestoßen werden kann, unter 4% liegen. Sobald der Stapel 12 gespült ist, wird dann der Injektor 44 eingeschaltet, um den geteilten Stapel 14 durch das Ablassventil 62 und das Spülventil 66 in gleicher Weise zu spülen. Daher kann eine hohe Gasgeschwindigkeit zum schnellen separaten Spülen der Anodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 verwendet werden, um die Verweilzeit der Wasserstoff/Luft-Front durch die geteilten Stapel 12 und 14 zu verringern.
  • Da nur einer der geteilten Stapel 12 und 14 jeweils gespült wird, kann das Spülen schneller sein, da die Rohre ein höheres Gasvolumen von einem Stapel aufnehmen können als bei einer Kombination von zwei Stapeln. Das Strömenlassen von Wasserstoff zu einem Stapel zu einem Zeitpunkt würde die Geschwindigkeit durch jeden Unterstapel bei der gleichen Abgasstromrate verdoppeln. Die Geschwindigkeit des Wasserstoffs von den Quellen 40 und 44 legt den Druck in der Anodenseite der geteilten Stapel 12 und 14 direkt fest. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform drücken die Injektoren 38 und 44 den Wasserstoff über einen Zeitraum in dem Bereich von 0,1–0,4 Sekunden bei einem Druck von etwa 40 kPa durch die geteilten Stapel 12 und 14. Weiterhin sollte der erste Stapel, zu dem Wasserstoff strömt, zufällig gewählt werden.
  • Die Wasserstoffmenge, die zum Spülen der geteilten Stapel 12 und 14 verwendet wird, kann beruhend auf dem Volumen der Anodenseite der Stapel 12 und 14, der Temperatur der Stapel 12 und 14 und dem Druck in den geteilten Stapeln 12 und 14 berechnet werden. Der Wasserstoffstrom in die Stapel 12 und 14 sollte in etwa ein Anodenvolumen betragen. Wenn eine ungenügende Wasserstoffmenge in den Stapel strömt, könnten einige der Brennstoffzellen weiterhin eine H2/O2-Front enthalten. Wenn zuviel Wasserstoff in den ersten Stapel strömt, wird überschüssiger Wasserstoff an das Abgas verschwendet und könnte durch Verdichtung in den zweiten Stapel eindringen, was zu einer stagnierenden Wasserstoff/Luft-Front führt, die eine übermäßige Degradation der elektrischen Spannung bewirkt. Das Kreislaufvolumen für jeden der Stapel wird berechnet, und diese Information wird während des Einschaltens mit der Wasserstoffströmrate kombiniert, um die Spülzeit für den ersten Stapel zu ermitteln.
  • Sobald die beiden geteilten Stapel 12 und 14 wie vorstehend beschrieben gespült sind, rückt das System 10 dann zum langsamen Wasserstoffspülzustand vor. In diesem Zustand werden beide Injektoren 38 und 44 gleichzeitig einen bestimmten Zeitraum lang bei einer langsameren Strömrate betrieben, um einen parallelen Wasserstoffstrom durch die Stapel 12 und 14 vorzusehen. Bei dem langsamen Wasserstoffspülzustand wird das Spülventil 66 geschlossen und das Ablassventil 62 geöffnet. Das Ablassventil 62 weist eine viel kleinere Öffnung als das Spülventil 66 auf, und somit kann weniger Spülgas durch dieses strömen. Ferner wird das Umleitventil 34 während des langsamen Spülzustands allmählich geschlossen, um die Verdichterluft durch die Stapel 12 und 14 zu leiten. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform ist der Druck der Anodenseite des Stapels 12 oder 14 während des langsamen Wasserstoffspülzustands um etwa 25 kPa größer als der Druck in der Kathodenseite des Stapels 12 oder 14.
  • Wenn das System 10 nur einen kurzen Zeitraum lang abgeschaltet wurde, wobei noch der meiste oder nahezu der meiste Wasserstoff und Stickstoff in den Anoden- und Kathodenseiten der Stapel 12 und 14 ist, dann wird auf den schnellen Wasserstoffspülzustand verzichtet und es wird nur der langsame Wasserstoffspülzustand verwendet. Insbesondere werden die geteilten Stapel 12 und 14 nicht separat mit Wasserstoff hoher Geschwindigkeit gespült. Die Einschaltfolge geht direkt zu dem parallelen Spülen der Stapel 12 und 14 durch das Ablassventil 62 bei niedriger Wasserstoffgeschwindigkeit.
  • Wie vorstehend erläutert wird die Einschaltfolge abhängig von der Dauer des Abschaltens des Systems 10 und von anderen Faktoren, die bestimmen, wie viel Luft sich in den Anodenströmkanälen befindet, angepasst.
  • Die Geschwindigkeit des Wasserstoffspulens kann sowohl für den schnellen Wasserstoffspülzustand als auch den langsamen Wasserstoffspülzustand gesteuert werden. Ferner kann die Spülzeit gesteuert werden. Es kann eine Kennkurve für das System 10 erzeugt werden, welche die in den Stapeln 12 und 14 verbleibende Wasserstoffmenge als Funktion der Zeit seit dem letzten Abschalten festlegt. Diese Kurve ist der Kehrwert der Luftinfiltration in den Stapel als Funktion der Zeit seit dem letzten Abschalten. Basierend auf diesen Kurven ergibt sich eine resultierende Kurve, die der bei Einschalten zur Sicherheit erforderliche Mindestwasserstoff als Funktion der Zeit seit dem letzten Abschalten ist. Diesen erforderlichen Mindestwasserstoff kann man dann so schnell wie gewünscht bis zur maximalen Wasserstoffkonzentration der Abgasforderung strömen lassen. Langsamere Wasserstoffströme ergeben eine längere, flachere Abgaskonzentrationskurve. Schnellere Wasserstoffströme ergeben eine kürzere, pulsartige Abgaskonzentrationskurve.
  • Es ist möglich, dass das System 10 ein schnelles Abschalten oder ein ungewolltes Abschalten erfahren könnte, bei dem die Wasserstoffmenge in den Stapeln 12 und 14 nicht bekannt ist. In diesem Fall kann ein Notfallneustart verwendet werden, der eine ausreichend langsame Wasserstoffströmrate nutzt, so dass, selbst wenn das System 100% Wasserstoffemissionen durch die Stapel 12 und 14 zu der Kathodenabgasleitung 28 aufweist, die Wasserstoffkonzentration in dem Abgas immer noch annehmbar ist. Des Weiteren sollte der Notfallneustart eine ausreichend lange Wasserstoffströmrate aufweisen, so dass, selbst wenn das System 0% Wasserstoffgas aufweisen würde, die Stapel 12 und 14 vollständig mit Wasserstoff gefüllt würden, bevor irgendeine Last an den Stapeln 12 und 14 entnommen wird.
  • Wie vorstehend erläutert nutzt das System 10 ein Umschalten der Anodenströmung. Andere Systeme können aber ein Anodenumwälzen nutzen, wobei das Anodenabgas in einer Weise zurück zu dem Anodeneingang geleitet wird, die dem Fachmann bekannt ist. Alle oder die meisten der verschiedenen Schritte für das Abschalten und Einschalten, welche die vorstehend erläuterte Kathodenkatalysatorkorrosion minimieren, können auch bei diesen Arten von Systemen verwendet werden.
  • Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird dieser Beschreibung und den Begleitzeichnungen sowie den Ansprüchen mühelos entnehmen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen darin vorgenommen werden können, ohne von dem in den folgenden Ansprüchen dargelegten Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wobei das System einen ersten geteilten Stapel und einen zweiten geteilten Stapel aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Strömen lassen eines Spülgases mit einer ersten Strömrate durch eine Anodenseite des ersten geteilten Stapels und ein zwischen dem ersten und dem zweiten geteilten Stapel angeschlossenes Spülventil über einen ersten Zeitraum; Strömen lassen des Spülgases mit der ersten Strömrate durch eine Anodenseite des zweiten geteilten Stapels und das Spülventil über einen zweiten Zeitraum nach dem ersten Zeitraum; und Strömen lassen des Spülgases mit einer zweiten Strömrate durch die Anodenseiten sowohl des ersten geteilten Stapels als auch des zweiten geteilten Stapels über einen dritten Zeitraum nach dem zweiten Zeitraum, wobei die zweite Strömrate langsamer als die erste Strömrate ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Strömen lassen des Spülgases in eine Kathodenabgasleitung nach dem Spülventil.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: Betreiben eines Verdichters, so dass während des ersten und des zweiten Zeitraums Verdichterluft zu der Kathodenabgasleitung strömt, um das Spülgas zu verdünnen, ohne durch den ersten geteilten Stapel und den zweiten geteilten Stapel zu strömen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: Strömen lassen von Luft durch eine Kathodenseite des ersten geteilten Stapels und des zweiten geteilten Stapels während des dritten Zeitraums.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Strömen lassen des Spülgases ein Strömen lassen eines Wasserstoffgases umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Strömen lassen des Spülgases mit der zweiten Strömrate ein Strömen lassen des Spülgases durch einen Wasserabscheider und ein zwischen dem ersten und dem zweiten geteilten Stapel angeschlossenes Ablassventil und nicht durch das Spülventil umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Strömrate, die zweite Strömrate, der erste Zeitraum, der zweite Zeitraum und der dritte Zeitraum alle basierend darauf gesteuert werden, wie lange das Brennstoffzellensystem abgeschaltet war.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Zeitraum null sind, wenn das Brennstoffzellensystem über einen ausreichend kurzen Zeitraum abgeschaltet war, bei dem keine signifikante Luftmenge in den ersten und zweiten geteilten Stapel eingedrungen ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System in zufälliger Weise wählt, ob das Spülgas während des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums zu dem ersten geteilten Stapel oder dem zweiten geteilten Stapel strömen gelassen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das System ein Umschalten der Anodenströmung einsetzt.
  11. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, wobei das System einen Brennstoffzellenstapel und einen Verdichter zum Strömenlassen von Luft durch eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels aufweist, wobei das Verfahren umfasst: selektives Strömen lassen eines Spülgases mit einer ersten Strömrate durch eine Anodenseite des Brennstoffzellenstapels und ein Spülventil über einen ersten Zeitraum; und selektives Strömen lassen des Spülgases mit einer zweiten Strömrate durch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels über einen zweiten Zeitraum nach dem ersten Zeitraum, wobei die zweite Strömrate langsamer als die erste Strömrate ist und wobei die erste Strömrate, die zweite Strömrate, der erste Zeitraum und der zweite Zeitraum basierend darauf ermittelt werden, wie lange das System abgeschaltet war.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Zeitraum null ist, wenn das Brennstoffzellensystem über einen ausreichend kurzen Zeitraum abgeschaltet war, bei dem keine signifikante Luftmenge in den Stapel eingedrungen ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: Strömen lassen des Spülgases in die Kathodenabgasleitung nach dem Spülventil.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend: Strömen lassen von Verdichterluft zu der Kathodenabgasleitung zum Verdünnen des Spülgases während des ersten Zeitraums, ohne die Luft durch den Stapel strömen zu lassen.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: Strömen lassen von Verdichterluft durch eine Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels während des zweiten Zeitraums.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Strömen lassen des Spülgases ein Strömen lassen eines Wasserstoffgases umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Strömen lassen des Spülgases mit einer zweiten Strömrate das Strömen lassen des Spülgases durch einen Wasserabscheider und ein Ablassventil und nicht durch das Spülventil umfasst.
  18. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, wobei das System einen Brennstoffzellenstapel und einen Verdichter aufweist, der Luft zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels liefert, wobei das Verfahren umfasst. Abschalten des Verdichterluftstroms zu der Kathodenseite des Stapels; Schließen von Ventilen zum Abdichten der Kathodenseite des Stapels; Strömen lassen von Wasserstoff zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zum Verbrauchen von Sauerstoff in dem Stapel; Umschalten einer Last an dem Stapel von einer ersten Systemkomponente zu einer zweiten Systemkomponente, wenn die Stapelleistung auf einen ersten vorbestimmten Pegel fällt; Umschalten der Last an dem Stapel zu einem Widerstand, wenn die Stapelleistung auf einen zweiten vorbestimmten Pegel fällt, der kleiner als der erste vorbestimmte Pegel ist; und Abschalten des Strömens von Wasserstoff und Schließen von Ventilen, um die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels abzudichten, sobald der Sauerstoff aus dem Stapel aufgebraucht wurde.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Umschalten einer Last an dem Stapel von einer ersten Systemkomponente zu einer zweiten Systemkomponente das Umschalten der Last an dem Stapel zu einer Batterie umfasst.
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