DE102008016086A1 - Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle bei Bedingungen, bei denen Wasser gefrieren kann - Google Patents

Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle bei Bedingungen, bei denen Wasser gefrieren kann Download PDF

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Abstract

Verfahren, umfassend, dass ein Brennstoffzellenstapel gestartet wird und Wärme in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, um die Brennstoffzellenstapeltemperatur für jeden Start über 0°C anzuheben und damit Eis in dem Brennstoffzellenstapel vor einem Abschalten zu beseitigen.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Das Gebiet, das die Offenbarung allgemein betrifft, umfasst Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • HINTERGRUND
  • Brennstoffzellenstapel können in Fahrzeugen verwendet werden, in denen der Stapel Temperaturen nahe oder unter 0°C ausgesetzt ist. Ein Brennstoffzellenstapel, der bei Temperaturen nahe oder unter 0°C betrieben wird, erzeugt Wasser, das gefrieren kann. Das Eis kann das gesamte Kathodenelektrodenporenvolumen füllen, was einen Sauerstoffmangel zur Folge hat, wobei der Stapel nicht in der Lage ist, Leistung zu erzeugen. 1 zeigt ein Gefrierstart-Spannungsprofil bei 0,1 A/cm2 bei einer Temperatur von –20°C und –15°C. Für eine typische Elektrode mit einer Platinbeladung von 0,4 mg/cm2, die eine Dicke von 12 μm und eine Porosität von 0,65 besitzt, beträgt die Eishaltekapazität der Elektrode etwa 8,3 C/cm2 (wobei C Coloumb ist). Die Eishaltekapazität einer typischen Membran (18 μm, 1100 ÄW und dλ = 10), wie diejenigen, die von Gore, Inc. erhältlich sind, beträgt etwa 6,3 C/cm2. Demgemäß beträgt die maximale Ladung, die durch den Stapel unter 0°C gelangt, etwa 8,3–14,6 C/cm2.
  • ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren auf, das umfasst, dass: ein Brennstoffzellenstapel betrieben wird, was umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel, der eine Temperatur von unter 0°C aufweist, gestartet wird und eine Last an der Brennstoffzelle gezogen wird, die von 75 Prozent des Maximums zu der Maximallast reicht, auf die der Brennstoffzellenstapel anzusprechen in der Lage ist, wobei die Maximallast durch Beschränkungen des Brennstoffzellensystems beschränkt ist. Die bereitgestellte Leistung kann größer sein als diejenige, die von dem Fahrer angefordert wird, um Primär- und Nebenaggregatvorrichtungen zu betreiben, wodurch der Brennstoffzellenstapel so schnell wie möglich auf eine Temperatur über 0°C erwärmt wird.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Steuern des Betriebes eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug, was umfasst, dass die Stapeltemperatur gemessen wird, wenn ein Kunde ein Abschalten des Brennstoffzellensystems anfordert und wenn die Stapeltemperatur über einer vorbestimmten Spültemperatur zum Spülen des Stapels liegt, dann der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird, und wenn die Stapeltemperatur unter der vorbestimmten Spültemperatur liegt, dann weiterhin der Brennstoffzellenstapel betrieben und eine Last von dem Stapel gezogen wird, so dass sich der Stapel aufheizt, bis die Stapeltemperatur über der vorbestimmten Spültemperatur liegt, und anschließend der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird.
  • Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Bei spiele, während sie beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
  • 1 ein Gefrierstart-Spannungsprofil für einen Brennstoffzellenstapel zeigt;
  • 2 ein Diagramm der Aufwärmrate des Brennstoffzellenstapels und einer Produktwassererzeugungsrate gegenüber einer Stromdichte ist;
  • 3 ein Diagramm einer Polarisierungskurve bei Temperaturen unter Null für einen Brennstoffzellenstapel ist;
  • 4 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Steuern des Betriebs des Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 5 das Startprofil eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht, das eine Stromdichte, eine Zellenspannung, eine Zellentemperatur und eine Stapelleistung gegenüber einer Startzeit aufzeichnet;
  • 6 ein Diagramm der Spülzeit zur Wasserentfernung in einem Brennstoffzellenstapel gegenüber einer Temperatur ist; und
  • 7 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, was umfasst, dass die Stapeltemperatur beim Start auf über 0°C gebracht wird, bevor die Kathodenelektrode mit Eis gefüllt wird. Dies kann eine Gesamtladung Qtotal von 8–15 C/cm2 erfordern. Auf Grundlage des folgenden thermischen Gleichgewichtes gilt: Tstack(t) – Tstack(initial) = Qtotal·(1,4 V – ECell)/(m·Cp)wobei Tstack(t) die Temperatur des Stapels zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt beim Start repräsentiert, Tstack(inital) die Temperatur des Stapels zu Beginn des Starts repräsentiert, Qtotal die Gesamtladung repräsentiert, die durch den Stapel gelangt, Ecell die durchschnittliche Zellenspannung repräsentiert und mCp die thermische Masse des Stapels repräsentiert. Der maximale Temperaturanstieg des Brennstoffzellenstapels für eine zulässige Gesamtladung hängt von der thermischen Masse des Stapels und der Zellenspannung während des Starts ab. Daher sollte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Maximierung einer Startzuverlässigkeit der schnellstmögliche Temperaturanstieg stattfinden. Dies kann durch Anlegen der maximalen Last, beschränkt durch die Beschränkungen des Brennstoffzellensystems erreicht werden, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Überschussenergie, die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird und nicht für die Primärlastvorrichtung benötigt wird, wie das elektrische Traktionssystem (ETS), kann dazu verwendet werden, Nebenaggregatvorrichtungen, wie Luftkompressor, Fahrgastraumheizer, Kühlmittelheizer, Brennstoffzellenstapelheizer, etc. zu betreiben, oder kann in einer Speichervorrichtung, wie einer Batterie gespeichert werden. Die durch die Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugte Wärme kann dazu verwendet werden, den Brennstoffzellenstapel so aufzuwärmen, dass in der Brennstoffzelle gebildetes Eis schmilzt. Das Erwärmen findet an dem Punkt, der gegenüber einem Gefrieren am empfindlichsten ist, statt, d. h. an der Kathodenelektrode.
  • Ein Brennstoff, wie Wasserstoff, kann an die Anodenseite der Brennstoffzelle geliefert werden, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff in der Form von Luft, kann an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert werden. Wasser wird an der Kathodenkatalysatorelektrode auf eine dem Fachmann bekannte Art und Weise erzeugt.
  • Da die Gesamtmenge an Eis, die in der Elektrode gespeichert werden kann, nur einer Qtotal von 8–15 C/cm2 entspricht, sind nur dann mehrere Gefrierstarts möglich, wenn die Temperatur während der Starts 0°C überschreitet, um eine Eisansammlung in den Elektroden zu verhindern. Somit erfordern erfolgreiche mehrere Gefrierstarts, dass der Stapel während jedes Starts eine Temperatur von 0°C überschreitet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Zellenspannung während jedes Starts minimiert wird und erzeugte Überschussenergie so lange gespeichert wird, bis die Stapeltemperatur größer als 0°C ist.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Brennstoffzelle beispielsweise durch einen Mikrocontroller gesteuert, so dass während jedes Starts unter 0°C eine maximale Last gezogen wird, um den Stapel so schnell wie möglich aufzuheizen. Die maximale Last, die von dem Stapel gezogen wird, ist durch die Beschränkungen des Brennstoffzellensystems beschränkt. Je höher die gezogene Last ist, umso geringer ist die Stapelspannung und umso mehr Abwärme kann erzeugt werden, um den Stapel aufzuheizen und jegliches Eis aufzutauen, das sich in der Elektrode angesammelt hat. Wenn der Stapel auf eine Temperatur über 0°C erwärmt wird, kann flüssiges Wasser aus dem Stapel nach dem Abschalten effizienter gespült werden. Obwohl das Ziehen einer höheren Last an der Brennstoffzelle die Erzeugung von mehr Produktwasser zur Folge hat, heizt sich der Stapel bei höheren Lasten schneller auf, als die Rate der Wassererzeugung ist, wie in 2 gezeigt ist. Ferner kann, wenn die Abwärme an der Elektrode erzeugt wird, das Eis, das sich in der Elektrode angesammelt hat, effizient geschmolzen werden.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann die von dem Brennstoffzellenstapel während des Starts erzeugte Energie dazu verwendet werden, ergänzende Heizvorrichtungen zu betreiben, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, elektrische Heizer, die den Brennstoffzellenstapel direkt oder indirekt erwärmen. Bei einer alternativen Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem keine ergänzenden Heizvorrichtungen auf. Eine Stapelaufheizung wird ausschließlich durch interne Wärmeerzeugung erreicht. Diese Wärmeerzeugung, die aus ohmschen und elektrochemischen Verlusten resultiert, kann signifikant sein, wenn der Stapel mit einem hohen Strom belastet ist. Typischerweise existiert eine hohe und geringere Stromlast, die eine spezifische Leistung bereitstellt, wie in 3 gezeigt ist. Die geringe Last stellt einen effizienteren Zustand dar und resultiert in der geringsten Wärmeerzeugung, und die hohe Last ist der am wenigsten effiziente und resultiert in einer größeren Wärmeerzeugung. Daher kann, um eine schnelle Aufheizung zu erreichen, der Brennstoffzellenstapel mit seiner höchstmöglichen Stromlast betrieben werden. Jedoch muss dies mit den folgenden Systembeschränkungen in Ausgleich gebracht werden, die die Stromlast und die Leistungsgabe beschränken können, die von dem Stapel gezogen werden können: (1) minimale Zellenspannung auf Grundlage von Systemelektronikanforderungen; (2) maximale Stromdichte auf Grundlage von Systembeschränkungen, beispielsweise bei Kapazität eines Luftkompressors; (3) Maximalleistungserzeugung auf Grundlage von Systemerfordernissen; und (4) maximal zulässige Stapeltemperatur, um einen Stapelschaden zu verhindern.
  • Es existiert eine minimale Grenze für sowohl die individuelle Zellenspannung als auch die durchschnittliche Zellenspannung des Stapels. Die minimale Zellenspannung (V cell) ist auf Null beschränkt, während die durchschnittliche Zellenspannung (V avg) des Stapels größer als Null sein muss, um die Systemspannungs- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Zellen arbeiten während eines Gefrierstarts typischerweise nicht gleichförmig und daher können sich die minimale Zellenspannung und die durchschnittliche Zellenspannung unterscheiden. Ein typischer Bereich für diese Parameter kann sich wie folgt darstellen: V cell > 0; V avg > 0,3 V.
  • Die maximale Stromdichte ist durch die Systemkonstruktion beschränkt, die Beschränkungen hinsichtlich des Stromes und der Strömung besitzt. Aufgrund großer Unterschiede in Systemkonstruktionen kann der Bereich der maximalen Stromdichet von 0,6 bis 2,0 A/cm2 variieren. Jedoch be trägt für Kraftfahrzeuganwendungen die maximale Stromdichte typischerweise unter 1,6 A/cm2.
  • Die maximale Leistung, die gezogen werden kann, hängt auch von der Systemkonstruktion ab und wird auch durch die Systemnebenaggregat-Leistungsanforderungen beeinflusst, einschließlich Kompressoren, Heizern und Pumpen, die während des Starts betrieben werden, wie auch der Größe der Energiespeichervorrichtung, wie einer Batterie. Für Hybrid- und Nichthybrid-Kraftfahrzeugsysteme kann die Start- und Leerlaufleistung im Bereich von 20–40 kW liegen.
  • Um einen erfolgreichen Gefrierstart zu erreichen, muss eine ausreichende Menge an angesammeltem Wasser von dem Stapel nach dem Abschalten entfernt werden. Das angesammelte Wasser hängt von der Stapelkonstruktion, den Systembetriebsbedingungen wie auch der Betriebszeit ab. Infolgedessen kann die Menge an angesammeltem Wasser stark variieren. Typischerweise wird eine Kathodenluftspülung verwendet, um dieses angesammelte Wasser zu entfernen, und die Spülzeit hängt von der Luftströmung und der Stapeltemperatur ab. Die Spülzeit verringert sich, wenn der Luftdurchfluss und die Temperatur zunehmen. Da die zugeteilte Energie zum Spülen beschränkt ist, ist die notwendige Spülzeit von großer Wichtigkeit. Beispielsweise kann, wie in 6 gezeigt ist, wenn die Spülzeit aufgrund von Leistungsbeschränkungen auf 30 Sekunden beschränkt ist, die notwendige Spültemperatur abhängig von dem anfänglichen angesammelten Wasser in dem Brennstoffzellenstapel stark variieren. In diesem Fall beträgt, wenn der Brennstoffzellenstapel eine kleine Menge an Wasseransammlung besitzt, die minimale Spültemperatur 38°C, wobei die Spültemperatur mit zunehmender Wasseransammlung zunimmt. Für diese fixierte Spülzeit kann die erforderliche Spültemperatur im Bereich von 30–95°C liegen. Die obere Temperatur sollte beschränkt werden, um ei nen Schaden an Zellenmembranen zu verhindern. Jedoch kann durch richtigen Stapelbetrieb und richtige Stapelkonstruktion eine Wasseransammlung minimiert und der obere Temperaturbereich reduziert werden, beispielsweise auf 70°C und darunter.
  • Nun Bezug nehmend auf 4 kann bei einer Ausführungsform der Erfindung das Brennstoffzellensystem durch Messen der Stapeltemperatur gesteuert werden, wenn ein Fahrer eines Fahrzeugs oder ein Bediener anfordert, dass das Brennstoffzellensystem abgeschaltet werden soll. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels größer als eine vorbestimmte Spültemperatur ist, dann kann der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet und Wasser von dem Brennstoffzellenstapel gespült werden. Die vorbestimmte Spültemperatur ist bevorzugt eine Temperatur über 0°C, so dass der Brennstoffzellenstapel und insbesondere die Kathode eisfrei sind. Wenn jedoch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als die vorbestimmte Spültemperatur ist, wird das System so betrieben, um weiterhin eine Last zu ziehen und den Brennstoffzellenstapel weiter aufzuheizen. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird anschließend gemessen und eine Last kontinuierlich gezogen, so dass der Brennstoffzellenstapel so lange aufgeheizt wird, bis die Temperatur des Brennstoffzellenstapels die vorbestimmte Spültemperatur überschreitet. Anschließend wird der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet (d. h. die Strömung von Brennstoff zu dem Stapel wird gestoppt) und Wasser von der Brennstoffzelle gespült, beispielsweise durch Einblasen von Luft von einem Luftkompressor durch den Stapel für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um einen wesentlichen Anteil des Wassers in dem Stapel zu entfernen. Bevorzugt wird der Stapel nur abgeschaltet, wenn die Temperatur des Stapels über 0°C liegt.
  • 5 zeigt ein Beispiel eines Systemstarts, bei dem der Kunde eine Systemabschaltung vor einem Zeitpunkt A anfordert, bei dem die Temperatur des Stapels unter der erforderlichen Spültemperatur liegt und die erzeugte Leistung unterhalb der maximal zulässigen Leistung liegt, um einen Leistungsbedarf von Nebenaggregaten zu erfüllen. Um einen zuverlässigen und wiederholbaren Start zu ermöglichen, wird die Last kontinuierlich gezogen, um den Stapel aufzuwärmen. Vor dem Zeitpunkt A wird die Leistung schnell erhöht, während die durchschnittliche Zellenspannung auf eine minimale Spannung, beispielsweise 0,3 V, und die individuelle Zellenspannung auf über 0 V beschränkt wird. Während dieser Zeitdauer arbeitet der Stapel bei der am wenigsten effizienten Last, die mehr Wärme erzeugt, um die Temperatur des Stapels beispielsweise von –20°C relativ schnell zu erhöhen. Zum Zeitpunkt A wird die Erzeugung der maximal zulässigen Leistung erreicht, wobei danach die Stromlast reduziert werden muss. Dies verbessert den Stapelwirkungsgrad, verringert eine Wärmeerzeugung und reduziert die Rate des Temperaturanstiegs. Wenn die Temperatur weiterhin ansteigt, kann eine Kühlmittelströmung dazu verwendet werden, um zu verhindern, dass der Stapel schädigende Temperaturen erreicht. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird, um den Temperaturanstieg zu maximieren, so lange keine Kühlmittelströmung verwendet, bis die maximal zulässige Temperatur angenähert oder eine ausreichende Spültemperatur erreicht ist. Um eine ausreichende Spültemperatur zu bestimmen, sind die zulässige Spülströmung, Spülenergie wie auch die geschätzte Wasseransammlung in der Zelle vor dem Abschalten erforderlich. Mit dieser Information kann die notwendige Stapelspültemperatur bestimmt werden. Beispielsweise nimmt, wie in 6 gezeigt ist, die erforderliche Stapelspültemperatur zu, wenn die Wasseransammlungsmenge vor dem Abschalten zunimmt, und zwar für eine zulässige Spülenergie, die 30 Sekunden entspricht.
  • Während einiger Kurzstreckenszenarien kann der Fahrer innerhalb ein paar Minuten das Fahrzeug im Leerlauf halten und dann abschalten. Während einer solchen kurzen Zeitdauer, wenn eine kleine Leistungsmenge für das elektrische Traktionssystem (ETS) und Nebenaggregate erforderlich ist, kann es in der Winterzeit sein, dass die Temperatur des Stapels unter Verwendung der Abwärme der chemischen Reaktion nicht über 0°C hinausreicht. Somit sammelt sich das Produktwasser in dem Kathodenelektroden-Porenvolumen in der Form von Eis an. Es ist unwahrscheinlich, dass ein Spülen des Stapels nach dem Abschalten das angesammelte Eis in der Elektrode entfernt, da die Wassermitführkapazität der Luft bei Bedingungen unter Null äußerst gering ist. Nach ein paar derartigen Kurzstreckenszenarien ist, da das angesammelte Eis die gesamte Pore in der Kathodenelektrode verstopft, der Stapel nicht mehr in der Lage, Leistung zu erzeugen, was für Kunden äußerst unerwünscht ist, da dies einen Fahrzeugbetrieb verhindert. Dieser Effekt verschlimmert sich, wenn die Starttemperatur abfällt (beispielsweise –40°C). Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird dieses Problem durch ein Verfahren zum Erwärmen des Brennstoffzellenstapels auf über 0°C vor einem Abschalten des Stapels gelöst, so dass die Poren in der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels nicht vollständig mit Eis verstopft sind und so das Sauerstoff an die Katalysatorfläche der Kathodenelektrode diffundieren kann.
  • Nun Bezug nehmend auf 7 weist eine Ausführungsform der Erfindung ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 und einer Vielzahl von Vorrichtungen auf, die mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sind, um durch von dem Stapel erzeugte Elektrizität betrieben zu werden. Derartige Vorrichtungen können umfassen, sind jedoch nicht darauf beschränkt: eine Primärlastvorrichtung 14, wie einen Elektromotor oder ein elektrisches Traktionssystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, einen Kühlmittelheizer 16, einen Luftkompressor 18, einen Fahr gastraumheizer 20, zusätzliche Nebenaggregatvorrichtungen 22, eine elektrische Energiespeichervorrichtung 24, wie eine Batterie, und einen Stapelheizer 26. Der Brennstoffzellenstapel 12 und die Vorrichtungen 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 können in einer elektrischen Schaltung mit Schaltern verbunden sein, um zu ermöglichen, dass die verschiedenen Vorrichtungen selektiv durch die Elektrizität von dem Brennstoffzellenstapel, wie es erwünscht ist, und gemäß den verschiedenen hier offenbarten Verfahren betrieben werden können. Ein elektrisches Heizelement 26 kann in dem Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen sein. Beispielsweise kann das elektrische Heizelement 26 mit einer Bipolarplatte oder Endplatte des Brennstoffzellenstapels 12 verbunden oder in dieser oder an dieser vorgesehen sein. Ein Controller 28, wie ein Mikroprozessor, ist vorgesehen, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 12 und der Vorrichtungen 14, 16, 18, 20, 22, 24 und 26 zu steuern.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren, das umfasst, dass überschüssige Elektrizität, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, in einer Speichervorrichtung gespeichert wird. Eine andere Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren auf, das umfasst, dass überschüssige Elektrizität, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird und nicht dazu benötigt wird, Primär- und Nebenaggregatvorrichtungen, wie durch einen Bediener angefordert, zu betreiben, verwendet wird, um einen Luftkompressor mit einer Drehzahl zu betreiben, die größer als die ist, die erforderlich ist, um überschüssige Luft an den Brennstoffzellenstapel in Ansprechen auf die an dem Brennstoffzellenstapel gezogene Last zu liefern. Überschüssige Luft für den Brennstoffzellenstapel ist erwünscht, um den Austrag von Eis und flüssigem Wasser während des Starts zu maximieren. Eine andere Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren auf, bei dem der Brennstoffzellenstapel ein elektrisches Heizelement aufweist, um den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen. Eine andere Ausführungsform der Erfindung weist ein Verfahren auf, bei dem ein Brennstoffzellen-Flüssigkeitskühlmittelsystem mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, um Kühlmittel hindurchzuströmen, und ein elektrisches Heizelement in dem Kühlmittelsystem vorgesehen ist, und das ferner umfasst, dass das Heizelement erwärmt wird, um das Kühlmittel in dem Kühlmittelsystem zu erwärmen und das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zur Erwärmung des Brennstoffzellenstapels zu strömen.
  • Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit werden Abwandlungen derselben nicht als Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung betrachtet.

Claims (19)

  1. Verfahren, umfassend, dass ein Brennstoffzellenstapel betrieben wird, was umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel, der eine Temperatur unter 0°C aufweist, gestartet wird und eine Last an der Brennstoffzelle, die von 75 Prozent des Maximums zu der maximalen Last reicht, gezogen wird, auf die der Brennstoffzellenstapel anzusprechen in der Lage ist, wobei die maximale Last durch die Brennstoffzellensystembeschränkungen beschränkt wird, und wobei die gezogene Last größer als diejenige ist, die von dem Bediener angefordert wird, um Primär- und Nebenaggregatvorrichtungen zu betreiben, und das Ziehen der Last mit einem Betrag fortgesetzt wird, der größer als derjenige ist, der von dem Bediener angefordert wird, und zwar zumindest so lange, bis die Temperatur des Brennstoffzellenstapels über 0°C liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Systembeschränkungen eine individuelle Zellenspannung von > 0 V und eine durchschnittliche Stapelzellenspannung von > 0,3 V aufweisen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Systembeschränkungen die maximale Stromdichte im Bereich von 0,6 A/cm2–2,0 A/cm2 aufweisen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Systembeschränkungen die maximale Leistungserzeugung beim Start unter Null im Bereich von 20 bis 40 KW aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Systembeschränkungen eine erforderliche Stapelspültemperatur von 30–95°C aufweisen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erforderliche Spültemperatur durch eine Spülluftströmung, eine zulässige Spülenergie wie auch angesammeltes Wasser bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Abschalten des Brennstoffzellenstapels nur, wenn sich kein Eis in Poren einer Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels zum Zeitpunkt des Abschaltens befindet.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel zum Zeitpunkt des Abschaltens im Wesentlichen eisfrei ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass Wasser von dem Brennstoffzellenstapel gespült wird, wenn die Temperatur des Stapels über 0°C liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend, dass der Brennstoffzellenstapel vor dem Abschalten gespült wird, wobei das Spülen umfasst, dass ein Gas durch den Brennstoffzellenstapel geblasen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Gas Luft umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Last eine Primärlast aufweist, die durch ein elektrisches Traktionssystem eines Fahrzeugs gezogen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass überschüssige Elektrizität, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, in einer Speichervorrichtung gespeichert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass überschüssige Elektrizität, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird und nicht dazu benötigt wird, Primär- und Nebenaggregatvorrichtungen, wie von einem Bediener angefordert, zu betreiben, verwendet wird, um einen Luftkompressor mit einer Drehzahl anzutreiben, die größer als diejenige ist, die erforderlich ist, um überschüssige Luft an den Brennstoffzellenstapel in Ansprechen auf die an dem Brennstoffzellenstapel gezogene Last zu liefern.
  15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein elektrisches Heizelement darin umfasst, und ferner umfasst, dass das Heizelement in dem Brennstoffzellenstapel erwärmt wird, um den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen.
  16. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Brennstoffzellen-Flüssigkeitskühlmittelsystem, das mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, um Kühlmittel hindurchzuströmen, und einem elektrischen Heizelement in dem Kühlmittelsystem, und ferner umfassend, dass das Heizelement erwärmt wird, um das Kühlmittel in dem Kühlmittelsystem zu erwärmen und das Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zu strömen, um den Brennstoffzellenstapel zu erwärmen.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit einem Brennstoffzellen-Flüssigkeitskühlmittelsystem, das mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, um Kühlmittel hindurchzuströmen, und wobei der Kühlmitteldurchfluss zu dem Stapel reguliert werden kann, um ein Überhitzen des Stapels beim Start zu verhindern.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel nur abgeschaltet wird, wenn die Temperatur über 0°C liegt.
  19. Verfahren, umfassend, dass: der Betrieb eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug gesteuert wird, was umfasst, dass die Stapeltemperatur gemessen wird, wenn ein Kunde ein Abschalten des Brennstoffzellenstapels anfordert und wenn die Stapeltemperatur über einer vorbestimmten Spültemperatur zum Spülen des Stapels liegt, dann der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird, und wenn die Stapeltemperatur unter der vorbestimmten Spültemperatur liegt, dann ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels und ein Ziehen einer Last von dem Stapel fortgesetzt werden, so dass sich der Stapel so lange aufheizt, bis die Stapeltemperatur über der vorbestimmten Spültemperatur liegt, und anschließend der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird.
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