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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems. Solch ein Verfahren wird beispielsweise im Absatz [0012] der
DE 11 2004 001 904 T5 beschrieben, wobei dort davon ausgegangen wird, dass in den Anoden- und Kathodenfeldern nur verdünnter Wasserstoff und Stickstoff vorhanden sind. Ferner beschreibt die
DE 11 2004 002 468 T5 ein Verfahren, bei dem an dem Anodeneinlassverteiler ein Entlüftungsventil angeschlossen ist, welches während des Brennstoffzellenstarts geöffnet ist, um so überschüssige Luft im Anodeneinlassverteiler mittels des hineinströmenden Wasserstoffs aus dem Anodeneinlassverteiler zu spülen.
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Hintergrund der Erfindung
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Brennstoffzellen werden als saubere, effiziente und umweltfreundliche Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere wurden Brennstoffzellen als mögliche Alternative für die in modernen Kraftfahrzeugen verwendeten herkömmlichen Brennkraftmaschinen ausgemacht.
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Eine Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und Anode umfassen typischerweise einen fein verteilten Katalysator, im Allgemeinen Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode sandwichartig eingeschlossen, um eine Membranelektrolyteinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden, wie Wasserstoff und Sauerstoff, zu der Kathode und Anode erleichtern. Wasserstoff an der Anode wird zu positiv geladenen Wasserstoffionen umgewandelt. Diese Ionen wandern durch den Elektrolyt zur Kathode, wo sie mit Sauerstoff reagieren. Der Sauerstoff kann zum Beispiel aus Luft zugeführt werden. Die verbleibenden Elektronen in der Anode strömen durch eine Außenschaltung zu der Kathode, wo sie sich mit dem Sauerstoff und den Wasserstoffprotonen verbinden, um Wasser zu bilden.
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Einzelne Zellen können in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel kann eine Strommenge liefern, die zum Antreiben eines Fahrzeugs ausreicht. Während eines typischen Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellenstapels dringt Wasserstoff ein und strömt von einem Ende des Brennstoffzellenstapels zum anderen durch die einzelnen Brennstoffzellen. Die Enden des Brennstoffzellenstapels werden häufig als nasse und trockene Enden bezeichnet, wobei der Wasserstoff im Allgemeinen von dem nassen Ende zu dem trockenen Ende strömt. Auf diese Weise wird Wasserstoff zu den einzelnen Brennstoffzellen nacheinander verteilt, wobei die Zufuhr des Wasserstoffs zu eifern Teil der Brennstoffzellen, die an das nasse Ende angrenzen, zuerst erfolgt und die Zufuhr des Wasserstoffs zu einem Teil der Brennstoffzellen, die an das trockene Ende angrenzen, zuletzt erfolgt. Dadurch erhalten die Brennstoffzellen an dem trockenen Ende häufig zu einem Zeitpunkt Wasserstoff, nachdem die Brennstoffzellen am nassen Ende Wasserstoff erhalten. Bei einer anderen Anordnung kann Wasserstoff für normalen Betrieb auch von dem trockenen Ende zugeführt werden und manchmal während der Inbetriebnahme von beiden Enden. In all diesen Fällen liegt eine ungleichmäßige Verteilung von Wasserstoff vor.
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Aus dem Stand der Technik ist auch gut bekannt, dass hohe Zellenspannung verbunden mit einer durch die Zelle tretenden Wasserstoff-Luftfront zu einem durch Kohlenstoffkorrosion induziertem Abbau von Zellenspannung führt. Wenn Wasserstoff von den Anoden der Brennstoffzellen aufgenommen wird, ersetzt der Wasserstoff die Luft in den Anoden und erzeugt die Wasserstoff-Luftfront, die sich entlang einer Länge der Anoden fortbewegt. Um während der Inbetriebnahme einer Kohlenstoffkorrosion entgegenzuwirken, wird typischerweise eine Widerstandslast über dem Stapel angelegt, um Zellenspannung zu unterdrücken, was Kohlenstoffkorrosion mindert. Je niedriger der Widerstand ist, desto niedriger ist die Spannung während der Wasserstoff-Luftfront.
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Leider kann eine ungleichmäßige Verteilung von Wasserstoff zu den Brennstoffzellen während des Inbetriebnahmevorgangs und die Verwendung einer Widerstandslast zu einer ernsthaften Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels führen. Das Vorhandensein von Luft an den Kathoden verbunden mit der Wasserstoff-Luftfront an den Anoden kann das Ausbilden eines unerwünschten elektrischen Potentials bewirken. Insbesondere kann die ungleichmäßige Verteilung von Wasserstoff an den Anoden des Brennstoffzellenstapels zu einem Phänomen hohen Potentials führen, das als „Zellenumkehr” bekannt ist. Zellenumkehr tritt auf, wenn eine Last an dem Brennstoffzellenstapel angelegt wird und wenn mindestens einer Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff fehlt, während andere Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel mit Wasserstoff versorgt werden. Zellenumkehr bewirkt eine Oxidation von Brennstoffzellenkomponenten und kann zu einer schnellen Spannungsdegradation des Brennstoffzellenstapels führen. Insbesondere tritt eine Korrosion des Kohlenstoffträgers der Elektroden auf, wobei Oberflächenoxide, CO und CO2, gebildet werden. Die Spannungsdegradation verringert die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erheblich.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Brennstoffzellensystemen und -verfahren zum Optimieren der Verteilung von Wasserstoff zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels bekannt. Zum Beispiel ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Anoden des Brennstoffzellenstapels bei Systeminbetriebnahme mit Wasserstoff zu spülen, um eine Zeit zu minimieren, in der die Wasserstoff-Luftfront in den Strömungskanälen der Anoden vorhanden ist. Es ist auch bekannt, Wasserstoff sowohl vom ersten Ende als auch vom zweiten Ende des Brennstoffzellenstapels strömen zu lassen, um eine Verteilung von Wasserstoff zu den Anodenzellen entlang einer Länge eines Brennstoffzellenstapels zu optimieren. Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein solches Verfahren zu der ungleichmäßigen Verteilung von Wasserstoff an den in der Mitte des Brennstoffzellenstapels angeordneten Brennstoffzellen führt.
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Geschwindt et al. berichtet in der veröffentlichten US-Patentanmeldung US 2005/0129999 A1 über einen Einlassbrennstoffverteiler mit einem zwischen einem Brennstoffzufuhrrohr und einem Brennstoffeinlassverteilerrohr angeordneten durchlässigen Schwallblech, was ein gleichmäßiges Verteilen von Wasserstoff entlang der Länge des Brennstoffeinlassverteilerrohrs bewirkt. Während Inbetriebnahme kann Wasserstoff oder inertes Gas in dem Einlassbrennstoffverteiler und dem Brennstoffeinlassverteilerrohr als Reaktion auf ein Steuergerät durch ein Ventil abgelassen werden, um den Einlässen der Brennstoffströmungsfelder eine gleichmäßige Wasserstoff-Front zu bieten.
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Es wurde auch eine unabhängige Zufuhr von Wasserstoff zu den Anodenzellen verwendet, um Spannungsdegradation zu minimieren. Zum Beispiel wird in der veröffentlichten US-Patentanmeldung US 2005/0118487 A1 von Whiton et al. ein Brennstoffzellenstapel mit einem Einlassbrennstoffverteiler beschrieben, der mehrere Leitungen von im Wesentlichen gleicher Länge und gleichem Strömungsquerschnitt umfasst. Der Brennstoffzellenstapel verteilt, wie berichtet, Brennstoff des Brennstoffzelleneinlasses gleichmäßig von einem Brennstoffzufuhrrohr zu einem Brennstoffeinlassverteilerrohr. Die Leitungen können entweder in einer Platte ausgebildete Kanäle oder Rohre sein und können einfache Ausgänge oder doppelte Ausgänge in das Brennstoffeinlassverteilerrohr aufweisen.
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Nach wie vor besteht Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem und einem Verfahren, die eine Verteilung von Wasserstoff während des Inbetriebnahmevorgangs optimieren und einer Spannungsdegradation des Brennstoffzellenstapels entgegenwirken. Wünschenswerterweise minimieren der Brennstoffzellenstapel und das Verfahren auch Wasserstoffabgasemissionen während des Inbetriebnahmevorgangs.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Übereinstimmend mit der vorliegenden Offenbarung wurde ein Verfahren mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 entwickelt, das eine Verteilung von Wasserstoff optimiert, einer Spannungsdegradation entgegenwirkt und Wasserstoffabgasemissionen während eines Brennstoffzellenstapel-Inbetriebnahmevorgangs minimiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Vorsehen des ersten Ventils in einer offenen Stellung, wobei das erste Ventil mit dem Anodenzufuhrverteiler in Verbindung steht; das Vorsehen des zweiten Ventils in einer geschlossenen Stellung, wobei das zweite Ventil mit dem Anodenauslassverteiler in Verbindung steht; das Zuführen eines Anodenzufuhrstroms zu dem Anodenzufuhrverteiler; das Abführen einer ersten Menge an Luft von dem Anodenzufuhrverteiler durch das erste Ventil; das Schließen des ersten Ventils; das Öffnen des zweiten Ventils; und das Abführen einer zweiten Menge an Luft von den Anoden der mehreren Brennstoffzellen und dem Anodenauslassverteiler durch das zweite Ventil. Der Anodenzufuhrstrom wird dadurch den mehreren Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen gleichmäßig zugeführt.
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Ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel wird vorgesehen, der mehrere Brennstoffzellen umfasst. Jede der mehreren Brennstoffzellen weist eine Anode und eine Kathode mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran auf. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodenzufuhrverteiler in Verbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen, wobei der Anodenzufuhrverteiler dafür ausgelegt ist, einen Anodenzufuhrstrom zu den mehreren Brennstoffzellen zu liefern, sowie einen Anodenauslassverteiler in Verbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen, wobei der Anodenauslassverteiler dafür ausgelegt ist, einen Anodenabgasstrom von den mehreren Brennstoffzellen aufzunehmen. Das Brennstoffzellensystem umfasst weiterhin ein erstes Ventil in Verbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler und ein zweites Ventil in Verbindung mit dem Anodenauslassverteiler. Bei Betrieb wirkt das Brennstoffzellensystem einer ungleichmäßigen Verteilung des Anodenzufuhrstroms zu den Anoden der mehreren Brennstoffzellen entgegen.
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Alternativ wird ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der erste mehrere Brennstoffzellen, einen ersten Anodenzufuhrverteiler und einen ersten Anodenauslassverteiler in Verbindung mit den ersten mehreren Brennstoffzellen und ein erstes Ventil in Verbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler umfasst. Das Brennstoffzellensystem weist auch einen zweiten Brennstoffzellenstapel auf, der zweite mehrere Brennstoffzellen, einen zweiten Anodenzufuhrverteiler und einen zweiten Anodenauslassverteiler in Verbindung mit den zweiten mehreren Brennstoffzellen und ein zweites Ventil in Verbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler umfasst. Das Brennstoffzellensystem umfasst weiterhin ein drittes Ventil in Verbindung mit dem ersten Anodenauslassverteiler und dem zweiten Anodenauslassverteiler, wobei das Brennstoffzellensystem einer ungleichmäßigen Verteilung des Anodenzufuhrstroms zu den mehreren Brennstoffzellen jedes Brennstoffzellenstapels entgegenwirkt.
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Zeichnungen
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die nachstehend beschriebenen Zeichnungen, problemlos hervor.
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1 zeigt eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (nur zwei Zellen dargestellt);
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2 ist eine Seitenquerschnittansicht eines Brennstoffzellensystems (wobei mehrere Zellen gezeigt sind) nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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3 ist eine Seitenquerschnittansicht des in 2 dargestellten Brennstoffsystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Anodenzufuhrstrom gleichmäßig zu den einzelnen Brennstoffzellen verteilt;
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4 ist eine Seitenquerschnittansicht eines Doppelstapel-Brennstoffzellensystems (wobei mehrere Zellen gezeigt sind) nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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5 ist eine Seitenquerschnittansicht des in 4 dargestellten Doppelstapel-Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Anodenzufuhrstrom gleichmäßig zu den einzelnen Brennstoffzellen verteilt;
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6 ist ein Balkendiagramm, das Brennstoffzellenspannung als Funktion der Position in einem Brennstoffzellenstapel für herkömmliche Wasserstoffverteilung und Wasserstoffverteilung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht; und
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7 ist ein Balkendiagramm, das Spannungsdegradation als Funktion der Position in einem Brennstoffzellenstapel für herkömmliche Wasserstoffverteilung und Wasserstoffverteilung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform veranschaulicht.
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Eingehende Beschreibung der Erfindung
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur. Es versteht sich auch, dass in den gesamten Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale anzeigen. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur und sind somit nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
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Der Einfachheit halber wird hier nachstehend nur ein Zweizellenstapel (d. h. eine Bipolarplatte) dargestellt und in 1 beschrieben, wobei sich versteht, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viele weitere dieser Zellen und Bipolarplatten aufweist.
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1 zeigt einen veranschaulichenden, aus zwei Zellen bestehenden bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar MEAs 4, 6, die durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 voneinander getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen einem Paar Klemmplatten 10, 12 und einem Paar unipolarer Endplatten 14, 16 miteinander gestapelt. Die Klemmplatten 10, 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht dargestellt) elektrisch isoliert. Die unipolaren Endplatten 14, 16 sowie beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 umfassen mehrere Rillen oder Kanäle 18, 20, 22, 24, die ein Strömungsfeld zum Verteilen von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d. h. H2 & O2/Luft) über die Seiten der MEAs 4, 6 ausbilden. Nicht leitende Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40, z. B. Kohlenstoff- oder Graphitdiffusionspapiere, liegen an einer Anodenseite und einer Kathodenseite der MEAs 4, 6 an. Die Endplatten 14, 16 sind jeweils angrenzend an den Diffusionsmedien 34, 40 angeordnet, während die Bipolarplatte 8 angrenzend an das Diffusionsmedium 36 an der Anodenseite der MEA 4 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist weiterhin angrenzend an das Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite der MEA 6 angeordnet.
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Der veranschaulichende, aus zwei Zellen bestehende bipolare PEM-Brennstoffzellenstapel 2 umfasst weiterhin einen Kathodenzufuhrverteiler 72 und einen Kathodenauslassverteiler 74, einen Kühlmittelzufuhrverteiler 75 und einen Kühlmittelauslassverteiler 77 sowie einen Anodenzufuhrverteiler 76 und einen Anodenauslassverteiler 78. Die Zufuhrverteiler 72, 75, 76 und die Auslassverteiler 74, 77, 78 sind zum Beispiel durch ein Zusammenwirken von in der Bipolarplatte 8 gebildeten Öffnungen mit in den Dichtungen 26, 28, 30, 32 gebildeten Öffnungen und in den Endplatten 14, 16 gebildeten Öffnungen gebildet. Ein Wasserstoffgas wird dem Anodenzufuhrverteiler 76 mittels einer Anodeneinlassleitung 80 als Anodenzufuhrstrom zugeführt. Ein Oxidationsmittelgas wird dem Kathodenzufuhrverteiler 72 des Brennstoffzellenstapels 2 mittels einer Kathodeneinlassleitung 82 als Kathodenzufuhrstrom zugeführt. Eine Anodenauslassleitung 84 und eine Kathodenauslassleitung 86 sind ebenfalls für den Anodenauslassverteiler 78 bzw. den Kathodenauslassverteiler 74 vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 88 und eine Kühlmittelauslassleitung 90 sind zum Zuführen von flüssigem Kühlmittel zu bzw. zum Abführen von Kühlmittel aus dem Kühlmitteleinlassverteiler 75 und dem Kühlmittelauslassverteiler 77 vorgesehen. Es versteht sich, dass die Auslegungen der verschiedenen Einlässe 80, 82, 88 und der Auslässe 84, 86, 90 in 1 bis 4 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nach Bedarf andere Auslegungen verwendet werden können.
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2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 200 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst den Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren Brennstoffzellen 202. Jede der mehreren Brennstoffzellen 202 weist eine (nicht dargestellte) Anode und eine (nicht dargestellte) Kathode mit einer dazwischen angeordneten (nicht dargestellten) Elektrolytmembran auf. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist weiterhin ein erstes Ende 204 und ein zweites Ende 206 auf. In bestimmten Ausführungsformen ist das erste Ende 204 als das „trockene Ende” bekannt und das zweite Ende 206 als das „nasse Ende” bekannt.
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Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst den Anodenzufuhrverteiler 76 in Verbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202, der Anodenzufuhrverteiler 76 ist dafür ausgelegt, einen Anodenzufuhrstrom 208, z. B. gasförmigen Wasserstoff, zu den mehreren Brennstoffzellen 202 zu liefern. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst weiterhin einen Anodenauslassverteiler 78 in Verbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202. Der Anodenauslassverteiler 78 ist dafür ausgelegt, einen Anodenabgasstrom (in 3 gezeigt), z. B. restlicher gasförmiger Wasserstoff, Luft und Wasser, aus den mehreren Brennstoffzellen 202 aufzunehmen.
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In einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem 200 ein erstes Ventil 210 in Verbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler 76 und ein zweites Ventil 212 in Verbindung mit dem Anodenauslassverteiler 78. In einer Ausführungsform ist das erste Ventil 210 an dem ersten Ende 204 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet. Das ersten Ventil 210 ist dafür ausgelegt, eine ersten Menge an Luft 214 und den Anodenzufuhrstrom 208 aus dem Anodenzufuhrverteiler 76 abzuführen. Das zweite Ventil 212 ist an dem zweiten Ende 206 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet. Das zweite Ventil 212 ist dafür ausgelegt, eine zweite Menge an Luft 216 und einen Anodenabgasstrom (in 3 gezeigt) aus dem Anodenauslassverteiler 78 abzuführen. In einer weiteren Ausführungsform ist das zweite Ventil 212 an dem ersten Ende 204 statt an dem zweiten Ende 206 angeordnet. Es versteht sich, dass dem Brennstoffzellenstapel 2 nach Bedarf und solange das erste Ventil 210 zum Beispiel gegenüber der Position der Wasserstoffzufuhr angeordnet ist, Wasserstoff zugeführt werden kann.
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Es versteht sich, dass sich nach Verstreichen eines ausreichenden Zeitraums zwischen einem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems 200 und einem Inbetriebnahmevorgang die erste und zweite Menge an Luft 214, 216 in den Anodenzufuhr- und Anodenauslassverteilern 76, 78 sammeln. Ferner versteht sich, dass sich die erste und die zweite Menge an Luft 214, 216 während eines ausreichenden Zeitraums einer Stapelfunktionsunfähigkeit an den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 sammeln.
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Das Brennstoffzellensystem 200 der vorliegenden Offenbarung kann weiterhin mindestens eine Widerstandsvorrichtung 218 in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 2 aufweisen. In bestimmten Ausführungsformen ist die Widerstandsvomrrichtung 218 ein Widerstand. In weiteren Ausführungsformen ist die Widerstandsvorrichtung 218 dafür ausgelegt, während Inbetriebnahme eine Widerstandslast an dem Brennstoffzellenstapel 2 anzulegen, wodurch einer durch Kohlenstoffkorrosion induzierten Brennstoffzellendegradation entgegengewirkt wird. Ein Fachmann sollte verstehen, dass geeignete Widerstandsvorrichtungen 218 nach Bedarf verwendet werden können.
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In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Brennstoffzellensystem 200 mindestens einen (nicht dargestellten) Spannungssensor, der zum Messen einer elektrischen Spannung mindestens einer der mehreren Brennstoffzellen 202 ausgelegt ist. Zur Veranschaulichung ist der mindestens eine Spannungssensor zum Messen einer mittleren elektrischen Spannung der mehreren Brennstoffzellen 202 ausgelegt. Alternativ ist der mindestens eine Spannungssensor zum Messen einer oder mehrerer einzelner Brennstoffzellen in den mehreren Brennstoffzellen 202 ausgelegt.
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In einer veranschaulichenden Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 ein (nicht dargestelltes) Steuergerät. Das Steuergerät kann zum Betätigen des ersten Ventils 210 und des zweiten Ventils 212 ausgelegt sein, wodurch das erste Ventil 210 und das zweite Ventil 212 nach Bedarf geöffnet und geschlossen werden. Das Steuergerät kann zum Beispiel ein Signal von dem mindestens einen Spannungssensor erhalten, das anzeigt, dass Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 eine ausreichende Menge vorhandenen Wasserstoffs aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuergerät einen Steueralgorithmus umfasse, der zum Betrieb einer Reihe von Variablen ausgelegt ist, zum Beispiels eines Drucks des Anodenzufuhrstroms 208, eines Volumens des Anodenzufuhrverteilers 76 und einer Größe des Brennstoffzellenstapels 2, und kann das erste und das zweite Ventil 210, 212 nach Bedarf betätigen. Es versteht sich, dass auch alternative Mittel zum Ermitteln des Vorhandenseins des Anodenzufuhrstroms 208 in den Anoden oder in dem Anodenzufuhrverteiler 76 verwendet werden können, beispielsweise ein zeitbasiertes Modell von Lufteindringen in die Kathoden
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In einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 einen (nicht dargestellten) Verdichter in Verbindung mit dem Kathodeneinlassverteiler 78. Der Verdichter ist dafür ausgelegt, einen (nicht dargestellten) Kathodenzufuhrstrom zu dem Kathodeneinlassverteiler 72 zu liefern. Der Kathodeneinlassverteiler 72 steht mit den Kathoden der mehreren Brennstoffzellen 202 in Fluidverbindung. In einer bestimmten Ausführungsform der Offenbarung umfasst das Brennstoffzellensystem 200 weiterhin ein (nicht dargestelltes) Umgehungsventil und eine (nicht dargestellte) Umgehungsleitung in Fluidverbindung mit dem Verdichter. Das Umgehungsventil und die Umgehungsleitung sind zum Beispiel dafür ausgelegt, dem Kathodenzufuhrstrom bei Bedarf das Umgehen des Brennstoffzellenstapels 2 zu ermöglichen. Es versteht sich zum Beispiel, dass die Umgehungsleitung zur Verdünnung des mittels der Ventile 210, 212 abgeführten Wasserstoffs mit dem ersten Ventil 210 und dem zweiten Ventil 212 in Fluidverbindung stehen kann.
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Wie in 2 gezeigt umfasst die vorliegende Erfindung weiterhin ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 200. Das Verfahren umfasst das Vorsehen des ersten Ventils 210 in einer offenen Stellung und das Vorsehen des zweiten Ventils 212 in einer geschlossenen Stellung. Der Anodenzufuhrstrom 208 wird dem Anodenzufuhrverteiler 76 zugeführt. Während sich das erste Ventil 210 in der offenen Stellung befindet, wird eine erste Menge an Luft 214 durch das ersten Ventil 210 aus dem Anodenzufuhrverteiler 76 abgeführt. Es versteht sich, dass ein Abführen der ersten Menge an Luft 214 aufgrund des Strömens des Anodenzufuhrstroms 208 in den Anodenzufuhrverteiler 76 bewirkt wird. Das Strömen ist niedrig genug, um eine Verteilung des Anodenzufuhrstroms 208 in die Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 zu minimieren, während sich das zweite Ventil 212 in der geschlossenen Stellung befindet. Es versteht sich, dass das Befinden des zweiten Ventils 212 in der geschlossenen Stellung die Verteilung des Anodenzufuhrstroms 208 in die Anoden hemmt, da das zweite Ventil 212 einem Abführen der zweiten Menge an Luft 216 entgegenwirkt, während es geschlossen ist.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Schließen des ersten Ventils 210 und das Öffnen des zweiten Ventils 212, zum Beispiel wenn der Anodenzufuhrstrom 208 im Wesentlichen den Anodenzufuhrverteiler 76 gefüllt hat. Es versteht sich, dass das Schließen des ersten Ventils 210, wenn der Anodenzufuhrverteiler 76 im Wesentlichen gefüllt ist, Wasserstoffemissionen minimiert, indem einem Abführen des Anodenzufuhrstroms 208, wie es zum Beispiel bei einem Wasserstoffspülen auftreten würde, entgegengewirkt wird. In weiteren Ausführungsformen erfolgt das Schließen des ersten Ventils 210 gleichzeitig mit dem Öffnen des zweiten Ventils 212.
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Wenn wie in 3 gezeigt das erste Ventil 210 geschlossen ist und das zweite Ventil 212 geöffnet ist, wird die zweite Menge an Luft 216 aus den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 und dem Anodenauslassverteiler 78 durch das zweite Ventil 212 abgeführt. Es versteht sich, dass die zweite Menge an Luft 216 aus dem Anodenauslassverteiler 78 und den mehreren Brennstoffzellen 202 durch das Strömen des den mehreren Brennstoffzellen 202 zugeführten Anodenzufuhrstroms 208 und ein Strömen eines von den mehreren Brennstoffzellen 202 abgeführten Anodenabgasstroms 300 abgeführt wird.
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Bei Betrieb wird der Anodenzufuhrstrom 208 den mehreren Brennstoffzellen 202 im Wesentlichen gleichförmig zugeführt. Das Füllen der Anodenzufuhrverteilungsleitung 76 mit dem Anodenzufuhrstrom 208 bei Hemmen einer Bewegung der zweiten Menge an Luft 216 von den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 und dem Anodenauslassverteiler 78 erleichtert die im Wesentlichen gleichmäßige Zufuhr und Verteilung des Anodenzufuhrstroms 208. Die im Wesentlichen gleichmäßige Zufuhr und Verteilung erfolgt zum Beispiel, wenn das ersten Ventil 210 geschlossen ist und das zweite Ventil 212 geöffnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Messen einer elektrischen Spannung mindestens einer der mehreren Brennstoffzellen 202. Zur Veranschaulichung wird die elektrische Spannung mit dem mindestens einen Spannungssensor gemessen. Die gemessene elektrische Spannung kann als Hinweis verwendet werden, ob in den Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 restlicher Wasserstoff, der Anodenzufuhrstrom 208 oder die erste oder zweite Menge an Luft 214, 216 vorhanden sind. Die gemessene elektrische Spannung kann auch zum Betätigen des ersten Ventils 210 und des zweiten Ventils 212 verwendet werden. Wenn das Brennstoffzellensystem 200 zum Beispiel nur für einen minimalen Zeitraum abgeschaltet wurde und immer noch eine vorbestimmte Wasserstoffkonzentration in den Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 vorhanden ist, dann wird das erste Ventil 210 nicht geöffnet. Zur Veranschaulichung wird das erste Ventil 210 geschlossen, wenn eine mittlere elektrische Spannung der mehreren Brennstoffzellen 202 größer als ein vorgegebener maximaler Wert ist, beispielsweise etwa 1,0 V. In bestimmten Ausführungsformen wird das erste Ventil 210 geschlossen, wenn die mittlere Spannung der mehreren Brennstoffzellen 202 größer als ein maximaler Wert von etwa 0,6 V ist. In einer Ausführungsform wird das erste Ventil 210 geschlossen, wenn die gemessene elektrische Spannung einer der mehreren Brennstoffzellen 202 größer als etwa 0,1 V ist. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere gemessene elektrische Spannungen zum Betätigen des ersten und zweiten Ventils 210, 212 verwendet werden können. Weiterhin versteht sich, dass bei Bedarf ein anderer Satz von Steuerdiagnostiken verwendet werden kann, um eine in dem Brennstoffzellenstapel 2 vorhandene Wasserstoffmenge zu ermitteln.
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Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann weiterhin das Zuführen eines (nicht dargestellten) Kathodenzufuhrstroms zu einem (nicht dargestellten) Kathodeneinlassverteiler umfassen. Der Kathodeneinlassverteiler steht mit den mehreren Brennstoffzellen 202 in Verbindung. In einem veranschaulichenden Beispiel wird der Schritt des Zuführens des Kathodenzufuhrstroms nach dem Zuführen des Anodenzufuhrstroms 208 zu dem Anodenzufuhrverteiler 76 ausgeführt, zum Beispiel nach Beenden des Wasserstoffspulens. Wenn in bestimmten Ausführungsformen der Kathodenzufuhrstrom den Anodenabgasstrom 300 verdünnen soll, kann der Kathodenzufuhrstrom um die Kathoden herum geleitet werden. Zum Beispiel kann der Anodenabgasstrom 300 zeitweilig gespeichert und dann nach der Wasserstoffspülung verdünnt werden. Als weitere Alternative wird der überschüssige Wasserstoff in dem Anodenabgasstrom 300 zum Beispiel mit einem katalytischen Brenner beseitigt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Kathodenzufuhrstrom mit der ersten oder zweiten Menge an Luft 214, 216 vereint werden, die von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgeführt wird. Es versteht sich, dass der Schritt des Vereinens des Kathodenzufuhrstroms mit der ersten oder zweiten Menge an Luft 214, 216 zum Verdünnen einer in der ersten oder zweiten Menge an Luft 214, 216 vorhandenen Wasserstoffgasmenge dient. Insbesondere kann es dem Kathodenzufuhrstrom ermöglicht werden, den Brennstoffzellenstapel zu umgehen, zum Beispiel mit dem Umgehungsventil und der Umgehungsleitung, wobei er zum Verdünnen von Wasserstoffgas verwendet werden kann, das in der abgeführten ersten und zweiten Menge an Luft 214, 216 vorhanden ist. Es versteht sich, dass die Konzentration an Wasserstoff in der abgeführten ersten und zweiten Menge an Luft 214, 216 geringer als eine Sollmenge, zum Beispiel etwa 4 Prozent, ist.
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Unter Bezug auf 4 und 5 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Brennstoffzellenstapeln beschrieben. Der Klarheit halber weisen ähnliche Strukturen aus 2 und 3 die gleichen Bezugszeichen auf und werden mit einem einfach gestrichenen (') oder zweifach gestrichenen ('') Symbol gekennzeichnet.
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Wie in 4 dargestellt umfasst ein Brennstoffzellensystem 200' einen ersten Brennstoffzellenstapel 2' mit ersten mehreren Brennstoffzellen 202', einen ersten Anodenzufuhrverteiler 76' und einen ersten Anodenauslassverteiler 78' in Fluidverbindung mit den ersten mehreren Brennstoffzellen 202'. Der erste Brennstoffzellenstapel 2' umfasst ein erstes Ventil 210' in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler 76'. Der erste Brennstoffzellenstapel 2' kann eine erste Widerstandsvorrichtung 218' aufweisen.
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Das Brennstoffzellensystem 200' umfasst weiterhin einen zweiten Brennstoffzellenstapel 2'' mit zweiten mehreren Brennstoffzellen 202'', einen zweiten Anodenzufuhrverteiler 76'' und einen zweiten Anodenauslassverteiler 78'' in Fluidverbindung mit den zweiten mehreren Brennstoffzellen 202''. Der zweite Brennstoffzellenstapel 2'' umfasst ein zweites Ventil 210'' in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler 76''. Der zweite Brennstoffzellenstapel 2'' kann eine zweite Widerstandsvorrichtung 218'' aufweisen.
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Das Doppelstapel-Brennstoffzellensystem 200' umfasst auch ein drittes Ventil 212'. Das dritte Ventil 212' steht mit dem ersten Anodenauslassverteiler 78' und dem zweiten Anodenauslassverteiler 78'' des ersten und zweiten Brennstoffzellenstapels 2', 2'' in Fluidverbindung. Wie bei der in 2 und 3 beschriebenen Ausführungsform wirkt das Brennstoffzellensystem 200' bei Betrieb einer ungleichmäßigen Verteilung des Anodenzufuhrstroms zu den mehreren Brennstoffzellen 202', 202'' jedes Brennstoffzellenstapels 2', 2'' entgegen.
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Ein Durchschnittsfachmann sollte verstehen, dass das hierin beschriebene Inbetriebnahmeverfahren bei dem Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln verwendet werden kann. Das Verfahren umfasst zum Beispiel das Vorsehen des ersten Ventils 210' und des zweiten Ventils 210'' in einer offenen Stellung und das Vorsehen des dritten Ventils 212' in einer geschlossenen Stellung. Der Anodenzufuhrstrom 208', 208'' wird den Anodenzufuhrverteilern 76', 76'' zugeführt. Während das erste und das zweiten Ventil 210', 210'' sich in der offenen Stellung befinden, wird eine erste Menge an Luft 214', 214'' abgeführt. Das dritte Ventil 212', das sich in der geschlossenen Stellung befindet, hemmt die Verteilung des Anodenzufuhrstroms 208', 208'' in die Anoden.
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Wie in 5 gezeigt umfasst das Verfahren weiterhin das Schließen des ersten und des zweiten Ventils 210', 210'' und das Öffnen des dritten Ventils 212', zum Beispiel wenn die Anodenzufuhrströme 208', 208'' die Anodenzufuhrverteiler 76', 76'' im Wesentlichen gefüllt haben. Das Schließen des ersten und des zweiten Ventils 210', 210'' kann gleichzeitig mit dem Öffnen des dritten Ventils 212' erfolgen. Das Öffnen des dritten Ventils 212' erleichtert ein Abführen der zweiten Menge an Luft 216', 216'' von den Anoden der Brennstoffzellenstapel 2', 2'' und den Anodenauslassverteilern 216', 216'' während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems 200'.
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Es versteht sich, dass das Brennstoffzellensystem und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff zu den Anoden der Brennstoffzellenstapel vorsehen. Wie in 6 dargestellt, wird nun gezeigt, dass die vorliegenden Brennstoffzellensysteme und -verfahren eine Zellenumkehr hemmen, insbesondere während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems 200. Die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels erhalten bei dem vorliegenden Brennstoffzellensystem samt Verfahren während des Einschaltens Wasserstoff im Wesentlichen gleichmäßig und gleichzeitig. Dies führt verglichen mit einer herkömmlichen Wasserstoffverteilung zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen elektrischen Spannung zwischen einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels.
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Wie durch 7 gezeigt wird einer Spannungsdegradation des Brennstoffzellensystems nach wiederholten Inbetriebnahme- und Abschaltvorgängen mit dem Brennstoffzellensystem 200 und Verfahren der vorliegenden Erfindung entgegengewirkt. Es wird insbesondere überraschenderweise festgestellt, dass eine Rate der Spannungsdegradation (μV/Zyklus) der mehreren Brennstoffzellen 202 optimiert wird. Insbesondere wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Rate der Spannungsdegradation zwischen einzelnen Brennstoffzellen, die in dem Brennstoffzellensystem 200 und dem Verfahren der Erfindung verwendet werden, verglichen mit einzelnen Brennstoffzellen mit einer herkömmlichen Wasserstoffverteilung beobachtet.
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Die vorliegende Erfindung optimiert weiterhin Wasserstoffemissionen bei Inbetriebnahme durch Vorhersagen, wann die Stapelanode bei einem Inbetriebnahmevorgang Luft oder Wasserstoff aufweist, zum Beispiel durch Messen der elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstapels 2. Es versteht sich, dass die Wasserstoffemissionen weiter minimiert werden, wenn die Wasserstoffmenge, die in der aus dem zweiten Ventil 212 abgeführten Luft vorhanden ist, verdünnt wird, zum Beispiel mit Luft aus dem Verdichter. Die gleichmäßige Verteilung von Wasserstoff zu den Anoden verringert ein Mischen von Wasserstoff mit Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 durch das zweite Ventil 212 austritt, was zu einer geringeren Wasserstoffemission bei Inbetriebnahme beiträgt.
