DE102008047390A1 - Brennstoffzellensystem und Startverfahren - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst, vorgesehen. Ein Anodenzufuhrverteiler und ein Anodenauslassverteiler stehen mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen in Fluidverbindung. Ein erstes Ventil steht mit dem Anodenzufuhrverteiler in Fluidverbindung, und ein zweites Ventil steht mit dem Anodenauslassverteiler in Fluidverbindung. Ein Drucksensor ist zum Messen eines Anodendrucks ausgelegt. Bei Betrieb werden das erste Ventil und das zweite Ventil als Reaktion auf den Anodendruck gesteuert, wodurch einem unerwünschten Ablassen eines Anodenzufuhrstroms entgegengewirkt wird.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Verfahren zum Hochfahren bzw. Starten des Brennstoffzellensystems.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Eine Brennstoffzelle ist als saubere, effiziente und umweltfreundliche Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere wurde die Brennstoffzelle als mögliche Alternative für eine in modernen Fahrzeugen verwendete herkömmliche Brennkraftmaschine ausgemacht.
  • Eine übliche Art von Brennstoffzelle ist als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane) bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei Grundbestandteile: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und Anode umfassen typischerweise einen fein verteilten Katalysator, beispielsweise Platin, der von Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist zwischen der Kathode und der Anode sandwichartig eingeschlossen, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) zu bilden. Die MEA ist häufig zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die eine Zufuhr von gasförmigen Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff aus Luft, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion erleichtern. Einzelne Brennstoffzellen können zusammen in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel kann eine zum Betreiben eines Fahrzeugs ausreichende Menge an Elektrizität erzeugen.
  • Während Zeiträumen, in denen der Brennstoffzellenstapel außer Betrieb ist, dringt eine Luftmenge in die Anoden desselben und sammelt sich dort an. Beim Start des Brennstoffzellenstapels wird den Anoden Wasserstoff zugeführt. Der Wasserstoff verdrängt die Luft und erzeugt eine „Wasserstoff-Luft-Front", die sich über die Anoden bewegt. Bekanntermaßen zersetzt die Wasserstoff-Luft-Front Kohlenstoff in den Elektroden und wirkt sich auf die Brennstoffzellenleistung aus. Insbesondere führt das Vorhandensein sowohl von Wasserstoff als auch von Luft an der Anode zu einem örtlich begrenzten elektrischen Kurzschluss zwischen einem Abschnitt der Anode, der mit Wasserstoff in Kontakt kommt, und einem Abschnitt der Anode, der mit Luft in Kontakt kommt. Der örtlich begrenzte elektrische Kurzschluss bewirkt eine Zellenumkehr, was zu einer schnellen Korrosion des Katalysatorträgers führt. Es hat sich gezeigt, dass die Geschwindigkeit der Kohlenstoffkorrosion proportional zu einer Zeit, die die Wasserstoff-Luft-Front besteht, und einer Größenordnung der örtlich begrenzten elektrischen Spannung an der Wasserstoff-Luft-Front ist.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mit Wasserstoff schnell die Anoden von angesammelter Luft zu reinigen und die Zeit zu minimieren, die die Wasserstoff-Luft-Front an den Anoden besteht. Das Reinigen ist häufig so ausgelegt, dass es den Einlasssammler der Anode wesentlich und gleichmäßig mit Wasserstoff füllt, ohne einen Wasserstoffüberschuss aus dem Brennstoffzellensystem abzulassen. In der hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommenen anhängigen U.S.-Anmeldung Se riennr. 11/762,845 der Anmelderin wird ein veranschaulichendes Verfahren zum Reinigen offenbart. Typischerweise wird eine zum Reinigen der Anoden erforderliche Zeit basierend auf dem Volumen des Brennstoffzellenstapels und des Durchflusses des Wasserstoffs vorab berechnet. Die Menge an Luft, die sich an den Anoden gesammelt hat, variiert aber bei unterschiedlichen Abschaltzeiträumen und -bedingungen. Ferner können Änderungen von Druck, Druckmessungen, Durchflüssen, Strömungsregelung und Zusammensetzung der Gase an der Anode nach Abschaltzeiträumen breit schwanken. Daher sind die zum Verdrängen der angesammelten Luft von den Anoden erforderliche Zeit sowie das Volumen und der Durchfluss von Wasserstoff zum Reinigen der Anoden im Allgemeinen nicht optimiert. Da der optimale Endpunkt des Reinigens häufig schwer vorherzusagen ist, sind Systeme des Stands der Technik nicht in der Lage, die Anoden vollständig mit Wasserstoff zu reinigen, ohne eine unerwünschte Menge an Wasserstoff an die Atmosphäre abzulassen.
  • Bekannte Systeme verwenden ferner während des Starts des Brennstoffzellenstapels ein Vollkurzschlussverfahren. Bei Vollkurzschlusssystemen wird zum Beispiel ein Schaltkreis mit einem Kurzschlusswiderstand verwendet, um die örtlich begrenzte elektrische Spannung während des Starts des Brennstoffzellenstapels zu minimieren. Die Geschwindigkeit der Kohlenstoffkorrosion während des Starts des Brennstoffzellenstapels wird dadurch minimiert. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Vollkurzschlusssystems muss aber jede Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel über die Dauer des Vollkurzschlusses im Wesentlichen gleiche Mengen an Wasserstoff haben. Eine Brennstoffzelle, der Wasserstoff fehlt, kann unerwünschte, örtlich begrenzte Bedingungen erfahren, wenn sie dem Vollkurzschluss unterzogen wird.
  • Es besteht weiterhin Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem und Verfahren, das einen schnellen und zuverlässigen Start vorsieht. Wünschenswerterweise wirken das Brennstoffzellensystem und Verfahren einem übermäßigen Ablassen von Wasserstoff während des Starts entgegen, ermöglichen das Verwenden eines Vollkurzschlussverfahrens zum Minimieren von Kohlenstoffkorrosion und wirken unerwünschten Wirkungen auf den Brennstoffzellenstapel, die sich aus dem Vollkurzschluss ergeben, entgegen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wurde ein Brennstoffzellensystem samt Verfahren entdeckt, das erwünschte Brennstoffzellensystememissionen vorsieht, den Zeitraum der Wasserstoff-Luft-Front während des Starts optimiert und das Verwenden eines Vollkurzschlusses zur Minimierung von Kohlenstoffkorrosion ermöglicht.
  • In einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen sowie einen Anodenzufuhrverteiler in Fluidverbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen. Der Anodenzufuhrverteiler ist dafür ausgelegt, einen Anodenzufuhrstrom zu den mehreren Brennstoffzellen zu liefern. Das Brennstoffzellensystem umfasst weiterhin einen Anodenauslassverteiler in Fluidverbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen, der dafür ausgelegt ist, einen Anodenauslassstrom von den mehreren Brennstoffzellen aufzunehmen. Ein Drucksensor steht mit dem Brennstoffzellenstapel in Verbindung und ist dafür ausgelegt, einen Anodendruck zu messen. Das Brennstoffzellensystem weist ein erstes und ein zweites Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhr- bzw. dem Anodenauslassverteiler auf. Das erste und das zweite Ventil sind dafür ausgelegt, bei einem vorbestimmten Anodendruck zu arbeiten, der von dem Drucksensor gemessen wird.
  • In einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Das Verfahren umfasst zunächst die Schritte des Vorsehens des ersten Ventils in einer offenen Stellung oder einer geschlossenen Stellung und des Vorsehens des zweiten Ventils in einer geschlossenen Stellung. Dem Anodenzufuhrverteiler wird ein Anodenzufuhrstrom zugeführt. Dann wird das erste Ventil geöffnet, wenn es nicht bereits in einer offenen Stellung vorgesehen ist, und durch dieses wird eine erste Menge an Luft von dem Anodenzufuhrverteiler abgelassen. Während die erste Luftmenge abgelassen wird, wird ein Anodendruck überwacht. Das erste Ventil wird geschlossen, wenn der Anodendruck ein Strömen des Anodenzufuhrstroms durch dieses anzeigt, zum Beispiel wenn der Anodendruck unter einem vorbestimmten Druckwert liegt. Dann wird das zweite Ventil geöffnet und eine zweite Menge an Luft wird von dem Anodenauslassverteiler durch das zweite Ventil abgelassen, bis der Anodenzufuhrstrom durch das zweite Ventil strömt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird ein Durchfluss des Anodenzufuhrstroms während des Schritts des Zuführens des Anodenzufuhrstroms gesteuert und/oder gemessen. Das Verfahren kann weiterhin die Schritte des Messens einer Druckdifferenz über das erste Ventil und des Berechnens eines Anodendrucks aus der Druckdifferenz und dem Durchfluss des Anodenzufuhrstroms umfassen. Das erste Ventil wird dann geschlossen, wenn der Anodendruck unter einem vorbestimmten Druckwert liegt.
  • Das Verfahren der Offenbarung kann weiterhin einen Schritt des Aktivierens eines Vollkurzschlusses bei Öffnen des zweiten Ventils umfassen. Eine mittlere elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels wird im Wesentlichen bei Null gehalten. Nach dem Füllen der Anoden mit dem Anodenzufuhrstrom kann der Vollkurzschluss des Brennstoffzellenstapels deaktiviert werden und einem Kathodeneinlassverteiler ein Kathodenzufuhrstrom zugeführt werden. Das Hochfahren bzw. der Start des Brennstoffzellensystems wird dadurch abgeschlossen.
  • Zeichnungen
  • 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.
  • 1 zeigt eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (nur zwei Zellen dargestellt);
  • 2 ist eine Seitenquerschnittansicht eines Brennstoffzellensystems nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
  • 3 ist eine Seitenquerschnittansicht des in 2 dargestellten Brennstoffsystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Anodenzufuhrstrom gleichmäßig zu einzelnen Brennstoffzellen verteilt; und
  • 4 ist ein beispielhafter Graph, der einen absoluten Anodendruck während eines Starts eines Brennstoffzellensystems nach einer Ausführungsform der Offenbarung darstellt.
  • Eingehende Beschreibung der Erfindung
  • Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll nicht die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder Gebrauchsmöglichkeiten beschränken. 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.
  • 1 zeigt einen bipolaren PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar MEAs 4, 6, die durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 voneinander getrennt sind. Der Einfachheit halber wird in 1 nur ein aus zwei Zellen bestehender Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) gezeigt und beschrieben, wobei sich versteht, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viele weitere solcher Zellen und Bipolarplatten aufweist. 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 Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 zum Verteilen eines Wasserstoffgases und von Luft über eine Anode bzw. eine Kathode der MEAs 4, 6. Nicht leitende Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor. Gasdurchlässige Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 liegen an den Elektroden, beispielsweise den Anoden und Kathoden, der MEAs 4, 6 an. Die Endplatten 14, 16 sind jeweils benachbart zu den Diffusionsmedien 34, 40 angeordnet, während die Bipolarplatte 8 benachbart zu dem Diffusionsmedium 36 an der Anodenseite der MEA 4 ange ordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist weiterhin benachbart zu dem Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite der MEA 6 angeordnet.
  • 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. Das Wasserstoffgas wird dem Anodenzufuhrverteiler 76 mittels einer Anodeneinlassleitung 80 zugeführt. Die Luft wird dem Kathodenzufuhrverteiler 72 des Brennstoffzellenstapels 2 mittels einer Kathodeneinlassleitung 82 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 ferner 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 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nach Bedarf andere Auslegungen gewählt werden können.
  • 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 Anode und eine Kathode mit einer dazwischen angeordneten 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.
  • 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 Anodenablassstrom, beispielsweise restlicher gasförmiger Wasserstoff, Luft und Wasser, aus den mehreren Brennstoffzellen 202 aufzunehmen.
  • Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst weiterhin ein erstes Ventil 210 in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler 76. Ein zweites Ventil 212 steht in Fluidverbindung mit dem Anodenauslassverteiler 78. In einer Ausführungsform ist das erste Ventil 210 an dem ersten Ende 204 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet. Das zweite Ventil 212 kann an dem zweiten Ende 206 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sein. Das erste Ventil 210 ist dafür ausgelegt, eine erste Menge an Luft 214 und den Anodenzufuhrstrom 208 aus dem Anodenzufuhrverteiler 76 abzulassen. Das zweite Ventil 212 ist dafür ausgelegt, eine zweite Menge an Luft 216 und einen Anodenablassstrom aus dem Anodenauslassverteiler 78 abzulassen. 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 sich nach Verstreichen eines ausreichenden Zeitraums zwischen einem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems 200 und einem Startvorgang 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.
  • In einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 mindestens einen Drucksensor, der zum Messen eines Drucks der Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 ausgelegt ist. In einer Ausführungsform steht das erste Ventil 210 mit einem ersten Drucksensor 218 in Verbindung. Das zweite Ventil 212 kann auch mit einem zweiten Drucksensor 220 in Verbindung stehen. Als nicht einschränkendes Beispiel ist mindestens einer der Drucksensoren 218, 220 ein Differenzdrucksensor oder ΔP-Sensor. Differenzdrucksensoren messen bekanntermaßen einen Druckabfall über einer festen Öffnung, beispielsweise dem ersten und zweiten Ventil 210, 212, präzis. Wird der Umgebungsdruck angenommen oder ist er anderweitig bekannt, kann somit der Druck der Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 ohne Weiteres mit dem ΔP-Sensor ermittelt werden. In bestimmten Ausführungsformen ist mindestens einer des Drucksensors 218, 220 mit mindestens einem von erstem bzw. zweitem Ventil 210, 212 einteilig ausgebildet ist. Ein Durchschnittsfachmann sollte auch wissen, dass geeignete Drucksensoren, die an anderen Stellen in dem Brennstoffzellensystem 200 angeordnet sind und zum Messen des Drucks der Anoden ausgelegt sind, nach Bedarf verwendet werden können.
  • Bei Betrieb kann das erste Ventil 210 dafür ausgelegt sein, bei einem ersten vorbestimmten Anodendruck zu öffnen oder zu schließen. Der erste vorbestimmte Anodendruck kann durch mindestens einen der Drucksensoren 218, 220 gemessen werden. Das zweite Ventil 212 kann dafür ausgelegt sein, bei einem zweiten vorbestimmten Anodendruck, der von mindestens einem der Drucksensoren 218, 220 gemessen wird, zu öffnen oder zu schließen. Nach Bedarf können andere geeignete Drucksensoren, die zum Messen des Anodendrucks ausgelegt sind, verwendet werden. Ein Fachmann sollte auch erkennen, dass der erste und der zweite vorbestimmte Anodendruck nach Bedarf gewählt werden können. In einer bestimmten Ausführungsform können der erste und der zweite vorbestimmte Anodendruck gewählt werden, um anzuzeigen, wann mindestens eines von: Anodenzufuhrverteiler 76, Anodenauslassverteiler 78 und den Anoden im Wesentlichen mit Wasserstoff von dem Anodenzufuhrstrom 208 gefüllt ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 200 kann auch ein Steuergerät 221 umfassen. Das Steuergerät 221 ist zum Betätigen des ersten Ventils 210 und des zweiten Ventils 212 ausgelegt, wodurch das erste Ventil 210 und das zweite Ventil 212 nach Bedarf geöffnet und geschlossen werden. Das Steuergerät 221 kann zum Beispiel ein Signal von dem mindestens einen Drucksensor 218, 220 erhalten, das anzeigt, dass der Anodenzufuhrverteiler 76 eine ausreichende Menge vorhandenen Wasserstoffs aufweist, um ein Füllen der Anoden zu beginnen. Es versteht sich daher, dass der Druck der Anoden zum Ermitteln einer Zusammensetzung des Gases in dem Anodenzufuhrverteiler 76 verwendet werden kann. Die Zusammensetzung des Gases in dem Anodenzufuhrverteiler 76 kann zum Beispiel durch Berechnung aus dem Durchfluss des Anodenzufuhrstroms 208 und des Druckabfalls über mindestens einem von erstem und zweitem Ventil 210, 212 ermittelt werden. Das Steuergerät 221 kann dafür ausgelegt sein, das erste und zweite Ventil 210, 212 als Reaktion auf eine druckbestimmende Zusammensetzung von Gas oder Gasen in dem Anodenzufuhrverteiler 76 zu betätigen.
  • Das Brennstoffzellensystem 200 der vorliegenden Offenbarung kann weiterhin mindestens eine Widerstandsvorrichtung 222 in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 2 aufweisen. Die Widerstands vorrichtung 222 ist dafür ausgelegt, nach Bedarf dem Brennstoffzellenstapel 2 eine Widerstandslast zu bieten und den Brennstoffzellenstapel 2 kurzzuschließen. In bestimmten Ausführungsformen ist die Widerstandsvorrichtung 222 ein Hochspannungsbus, der an eine elektrische Senke angeschlossen ist. Die Widerstandsvorrichtung 222 kann einen minimalen elektrischen Widerstand aufweisen und einen Vollkurzschluss bilden, der die Endplatten 14, 16 des Brennstoffzellenstapels 2 verbindet. In anderen Ausführungsformen ist die Widerstandsvorrichtung 222 ein Widerstand in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 2. Die Widerstandsvorrichtung 222 kann verstellbar sein, um eine Sollwiderstandslast an dem Brennstoffzellenstapel 2 vorzusehen. In einer veranschaulichenden Ausführungsform ist die Widerstandsvorrichtung 222 dafür ausgelegt, während des Starts eine Widerstandslast an dem Brennstoffzellenstapel 2 anzulegen, wodurch Zellenpotential begrenzt und einer durch Kohlenstoffkorrosion induzierten Brennstoffzellendegradation entgegengewirkt wird. Ein Fachmann sollte verstehen, dass nach Bedarf andere geeignete Widerstandsvorrichtungen 222 verwendet werden können.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 einen (nicht dargestellten) Verdichter in Verbindung mit dem Kathodeneinlassverteiler 78. Der Verdichter ist dafür ausgelegt, einen Kathodenzufuhrstrom, beispielsweise Luft, zu dem Kathodeneinlassverteiler 72 zu liefern. Der Kathodeneinlassverteiler 72 steht mit den Kathoden der mehreren Brennstoffzellen 202 in Fluidverbindung. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 ein Umgehungsventil und eine 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 abgelassenen Wasserstoffs mit dem ersten Ventil 210 und dem zweiten Ventil 212 in Fluidverbindung stehen kann.
  • Wie in 3 und 4 gezeigt umfasst die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 200. Das Verfahren umfasst die Schritte des Vorsehens des ersten Ventils 210 in mindestens einem von: einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung und des zweiten Ventils 212 in einer geschlossenen Stellung. Das erste Ventil 210 wird, falls es nicht in der offenen Stellung vorgesehen ist, vor einem Schritt des Zuführens des Anodenzufuhrstroms 208 zu dem Anodenzufuhrverteiler 76 geöffnet. Der Anodenzufuhrstrom 208 kann zum Beispiel ein verdichtetes Wasserstoffgas sein. Ein Durchfluss des Anodenzufuhrstroms 208 kann gesteuert und/oder gemessen werden, während der Anodenzufuhrstrom 208 zugeführt wird.
  • Es versteht sich, dass dem Schritt des Öffnens des ersten Ventils 210 ein Druckaufbauschritt vorausgehen kann, bei dem das erste Ventil 210 über einen Sollzeitraum geschlossen bleibt. In dem Druckaufbauschritt wird der Druck in dem Anodenzufuhrverteiler 76 auf einen Wert angehoben, der zum Drücken einer ersten Menge gesammelter Luft 214 in das verdichtbare Volumen der Anoden ausreicht, ohne dass eine wesentliche Menge des Anodenzufuhrstroms 208 in die Anoden gedrückt wird. Ist ein Solldruck erreicht, dann kann das erste Ventil 210 geöffnet werden.
  • Bei Öffnen des ersten Ventils 210 wird die erste Menge an Luft 214, die sich während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems 200 angesammelt hat, durch das erste Ventils mittels eines Drucks des Anodenzufuhrstroms 208 abgelassen. Wenn das Volumen der mehreren Brennstoffzellen 202 in dem Druckaufbauschritt mit Druck beaufschlagt wird, wird ein Strömen des Anodenzufuhrstroms 208 aus dem ersten Ventil 210 heraus bewirkt, wodurch der Anodenzufuhrverteiler 76 vollständig gefüllt wird. Der Schritt des Ablassens der ersten Menge an Luft 214 ist als „Reinigungsschritt" oder „Verteilerreinigungsschritt" bekannt.
  • Das erste Ventil 210 wird geschlossen, wenn der Anodenzufuhrverteiler 76 im Wesentlichen mit dem Anodenzufuhrstrom 208 gefüllt ist. Zum Beispiel kann das erste Ventil 210 als Reaktion auf ein Signal von dem Steuergerät 221, dem die Anodendruckmessungen geliefert werden, geschlossen werden. Das erste und das zweite Ventil 210, 212 können geöffnet oder geschlossen werden, wenn der Anodendruck zum Beispiel einen vorbestimmten Druckwert erreicht. In einer Ausführungsform wird das erste Ventil 210 bei einem ersten vorbestimmten Druckwert betrieben. Das zweite Ventil 212 kann bei einem zweiten vorbestimmten Druckwert betrieben werden. Der erste und der zweite vorbestimmte Druckwert können im Wesentlichen gleich sein. Somit können das erste und das zweite Ventil 210, 212 als Reaktion auf den vorbestimmten Druckwert im Wesentlichen gleichzeitig betrieben werden. Es versteht sich, dass Druckmessungen nach Bedarf verwendet werden können, um das erste und zweite Ventil 210, 212 zu betreiben, wodurch dem Brennstoffzellenstapel 2 gasförmige Reaktanden selektiv zugeführt werden.
  • Während die erste Menge an Luft 214 aus dem Anodenzufuhrverteiler 76 abgelassen wird, wird während des Reinigungsschritts ein Druck der Anoden der mehreren Brennstoffzellen 202 überwacht. Wie hierin beschrieben kann der Druck der Anoden mit einem Drucksensor überwacht werden. Einzelne Anoden können mit Drucksensoren überwacht werden, die zum Beispiel in dem Brennstoffzellensystem 200 angeordnet sind. In einer Ausführungsform wird der Druck der Anoden durch mindestens einen von: erstem Drucksensor 210 und zweitem Drucksensor 220 überwacht. Die Drücke des Anodenzufuhrverteilers 76, des Anodenaus lassverteilers 78 und der Anoden können nach Bedarf auch durch andere geeignete Drucksensoren überwacht werden.
  • In einer bestimmten Ausführungsform wird der Anodendruck durch Messen eines Drucks des Anodenzufuhrverteilers 76 überwacht. Der Druck des Anodenzufuhrverteilers 76 kann zum Beispiel mit einem ΔP-Sensor überwacht werden. Wenn mindestens einer von erstem Drucksensor 218 und zweitem Drucksensor 220 ein ΔP-Sensor ist, umfasst der Schritt des Überwachens des Anodendrucks den Schritt des Messens einer Druckdifferenz über mindestens einem von erstem und zweitem Ventil 210, 212. In einer besonders veranschaulichenden Ausführungsform wird der Anodendruck durch Messen einer Druckdifferenz über dem ersten Ventil 210 überwacht.
  • Bei Schließen des ersten Ventils 210 wird das zweite Ventil 212 geöffnet und ein Strömen einer zweiten Menge an Luft 216 wird von den Anoden und dem Anodenauslassverteiler 78 durch das zweite Ventil 212 herbeigeführt. Das Strömen der zweiten Menge an Luft 216 von den Anoden wird üblicherweise als „Stapelspülschritt" oder „Spülschritt" bezeichnet. Die Schritte des Schließens des ersten Ventils 210 und des Öffnens des zweiten Ventils 212 können im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden.
  • Es versteht sich, dass der Anodenzufuhrstrom 208 des vorliegenden Verfahrens den mehreren Brennstoffzellen 202 während des Spülschritts im Wesentlichen gleichmäßig zugeführt wird. Das Reinigen des Anodenzufuhrverteilers 76 mit dem Anodenzufuhrstrom 208 vor dem Stapelspülen erleichtert die im Wesentlichen gleichmäßige Zufuhr und Verteilung des Anodenzufuhrstroms 208 zu den Anoden. Der Schritt des Reinigens füllt den Anodenzufuhrverteiler 76. Die im Wesentlichen gleichmäßige Zufuhr und Verteilung beginnt zum Beispiel dann, wenn das erste Ventil 210 geschlossen wird und das zweite Ventil 212 geöffnet wird.
  • Die Schritte des Schließen und Öffnens des ersten bzw. zweiten Ventils 210, 212 können ausgeführt werden, wenn der Anodendruck den vorbestimmten Druckwert erreicht. Der zum Steuern der Ventile 210, 212 genutzte vorbestimmte Druckwert kann nach Bedarf gewählt werden. Der Anodendruck kann aus der Druckdifferenz, die über mindestens einem von erstem und zweitem Ventil 210, 212 gemessen wird, und dem Durchfluss des Anodenzufuhrstroms 208 berechnet werden. Eine Änderung des Anodendrucks während der Schritte des Reinigens und Spülens des Stapels kann ein Volumen anzeigen, beispielsweise von Anodenzufuhr- und Anodenauslassverteiler 76, 78, das im Wesentlichen mit Wasserstoffgas gefüllt wurde. Somit kann der vorbestimmte Druckwert so gewählt werden, dass die Schritte des Öffnens und Schließens des ersten und zweiten Ventils 210, 212 erfolgen, nachdem der Wasserstoff mindestens eines von: Anodenzufuhrverteiler 76, Anodenauslassverteiler 78 und den Anoden selbst im Wesentlichen gefüllt hat.
  • Wie in 4 gezeigt kann der vorbestimmte Druckwert als Hinweis auf den Anodenzufuhrstrom 208 gewählt werden, der den Anodenzufuhrverteiler 76 im Wesentlichen gefüllt hat. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass ein erstes Sinken 400 eines überwachten Anodendrucks 402 während des Schritts des Reinigens anzeigt, dass der Anodenzufuhrstrom 208 statt gesammelter Luft 214 durch das erste Ventil 210 strömt. Bei dem Brennstoffzellensystem 200, bei dem nach dem Abschalten die Anode etwas darin verbleibenden Restwasserstoff aufweist, wird analog festgestellt, dass ein ähnliches Sinken 404 eines überwachten Anodendrucks 406 früher als bei Nichtvorhandensein von Restwasserstoff auftritt. Demgemäß sollte ein Fachmann erkennen, dass der überwachte Anodendruck die Zusammensetzung der Gase in dem Anodenzufuhrverteiler 76 des Brennstoffzellenstapels 2 anzeigen kann.
  • Als nicht einschränkendes Beispiel kann der Anodenzufuhrverteiler 76 nach einem Abschaltzeitraum mit Luft gefüllt sein. Zunächst kann über dem ersten Ventil 210 bei einem Durchfluss des Anodenzufuhrstroms 208 von etwa 10 l/s ein Druckabfall von 30 kPa festgestellt werden. Wenn der Anodenzufuhrverteiler 76 von dem Anodenzufuhrstrom 208 im Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt ist, sinkt der Druckabfall aber zum Beispiel auf etwa 5 bis etwa 6 kPa. Der Druckabfall über dem ersten Ventil 210 zeigt dadurch die Zusammensetzung des Gases in dem Anodenzufuhrverteiler 76 an. Es versteht sich, dass diese Zahlen lediglich beispielhaft sind und dass abhängig von dem verwendeten Brennstoffzellensystem 200 und den verwendeten Verfahren andere Druckabfallwerte und Durchflüssen beobachtet werden können.
  • Wenn sich wie weiterhin in 4 dargestellt der Anodenzufuhrstrom 208 über die Anoden bewegt und der Wasserstoff in dem Anodenzufuhrstrom mit Sauerstoff aus restlicher Luft an den Kathoden reagiert, bleibt der dynamische Druck an den Anoden daher im Wesentlichen konstant. Wenn der gesamte restliche Sauerstoff an den Kathoden aufgebraucht ist, kann es zu einem Anstieg 408 des überwachten Anodendrucks 402 kommen. Der Anstieg 408 weist darauf hin, dass Wasserstoff aus dem Anodenzufuhrstrom 208 die angesammelte Luft 216 an den Anoden verdrängt. Nach Erreichen eines lokalen Maximums lässt sich ein zweites Sinken 410 des überwachten Anodendrucks 402 beobachten. Das zweite Sinken 410 weist darauf hin, dass die Anoden im Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt sind. Ein Fachmann sollte daher verstehen, dass das Überwachen des Anodendrucks zur Ermittlung genutzt werden kann, wann mit dem Zuführen des Kathodenzufuhrstroms zum Kathodeneinlassverteiler des Brennstoffzel lensystems 200 begonnen werden sollte. In einer Ausführungsform kann der Anodendruck an dem zweiten Ventil 212 beispielsweise mit einem Drucksensor wie z. B. einem ΔP-Sensor überwacht werden.
  • Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann weiterhin den Schritt des Aktivierens eines Vollkurzschlusses des Brennstoffzellenstapels 2 umfassen, zum Beispiel wenn das erste Ventil 210 geschlossen ist und das zweite Ventil 212 geöffnet ist. Die Aktivierung des Vollkurzschlusses ist dafür ausgelegt, eine mittlere elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels 2 bei im Wesentlichen null Volt zu halten. Der Vollkurzschluss dient zum Minimieren eines Auftretens von unerwünschten örtlich begrenzten elektrischen Spannungen und daher von Kohlenstoffkorrosion, wenn die Anoden mit dem Anodenzufuhrstrom 208 gespült werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren der Offenbarung den Schritt des Deaktivierens des Vollkurzschlusses des Brennstoffzellenstapels 2, zum Beispiel nachdem die Anoden im Wesentlichen mit dem Anodenzufuhrstrom 208 gefüllt sind. Im Anschluss an die Deaktivierung des Vollkurzschlusses kann das Verfahren dann den Schritt des Zuführens des Kathodenzufuhrstroms zu dem Kathodeneinlassverteiler umfassen. Es versteht sich, dass der Kurzschluss nicht genutzt wird, wenn der Kathodenzufuhrstrom dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird, um einer Degradation des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenzuwirken. Der Brennstoffzellenstapel 2 kann aber einer minimalen parasitären Last unterzogen werden, wenn sich die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 mit Luft füllen. Die minimale parasitäre Last kann nach Bedarf gewählt werden und ist dafür ausgelegt, die elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels 2 zu minimieren, wenn der Luftverdichter des Brennstoffzellensystems 200 gestartet wird. Das Nutzen einer minimalen parasitären Last kann während des Startvorgangs des Brennstoffzellenstapels 2 unerwünschten Leerlaufspannungsvorgängen entgegenwirken.
  • Wenn der Kathodenzufuhrstrom die Kathoden füllt, treten ein oder zwei Kathodenvolumina typischerweise durch den Brennstoffzellenstapel 2, bevor das Brennstoffzellensystem 200 vollständig betriebsbereit und zur Aufnahme einer vollen elektrischen Last bereit ist. Eine Eignung des Brennstoffzellenstapels 2, die volle Last aufzunehmen, kann zum Beispiel durch Messen einer mittleren Brennstoffzellenspannung ermittelt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Eignung des Brennstoffzellenstapels 2 zur Aufnahme der vollen Last zum Beispiel durch Messen einer Mindestzellenspannung ermittelt werden.
  • Überraschenderweise wurde bei dem Brennstoffzellensystem 200 und Verfahren der Offenbarung festgestellt, dass ein unerwünschtes Ablassen von Wasserstoff während des Startvorgangs des Brennstoffzellenstapels 2 minimiert wird. Insbesondere zeigt sich, dass die Messung des Anodendrucks und das Nutzen des Anodendrucks beim Steuern der Betätigung des ersten und zweiten Ventils 210, 212 nun bei dem Beschränken des Ablassens von Wasserstoff aus dem Anodenzufuhrstrom 208 wirksam ist. Zudem ermöglicht die Messung des Anodendrucks überraschenderweise das Verwenden des Vollkurzschlusses des Brennstoffzellenstapels 2 während des Starts, indem jeder Brennstoffzelle 202 der Anodenzufuhrstrom 208 für die Dauer des Vollkurzschlusses zuverlässig geliefert wird. Einer Degradation des Brennstoffzellenstapels 2 durch Kohlenstoffkorrosion oder zum Beispiel aufgrund einer Ausbildung von örtlich begrenzten Bedingungen in dem Brennstoffzellenstapel 2 während des Vollkurzschlusses wird dadurch mit dem System und Verfahren der vorliegenden Offenbarung entgegengewirkt.
  • Während zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung bestimmte charakteristische Ausführungsformen und Einzelheiten gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben wird.

Claims (20)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen, wobei jede der mehreren Brennstoffzellen eine Anode und eine Kathode mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran aufweist; einen Anodenzufuhrverteiler in Fluidverbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen zum Liefern eines Anodenzufuhrstroms zu den mehreren Brennstoffzellen; einen Anodenauslassverteiler in Fluidverbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen zum Aufnehmen eines Anodenauslassstroms von den mehreren Brennstoffzellen; einen zum Messen eines Anodendrucks ausgelegten Drucksensor; ein erstes Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler, das zum Betrieb bei einem von dem Drucksensor gemessenen ersten vorbestimmten Anodendruck ausgelegt ist; und ein zweites Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenauslassverteiler, das zum Betrieb bei einem von dem Drucksensor gemessenen zweiten vorbestimmten Anodendruck ausgelegt ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Steuergerät in elektrischer Verbindung mit dem Drucksensor, das zum Betreiben des ersten Ventils und des zweiten Ventils ausgelegt ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite vorbestimmte Anodendruck im Wesentlichen gleich sind.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor ein ΔP-Sensor ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der ΔP-Sensor mit mindestens einem von erstem Ventil und zweitem Ventil in Verbindung steht.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der ΔP-Sensor mit mindestens einem von erstem Ventil und zweitem Ventil einteilig ausgebildet ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: eine Widerstandsvorrichtung in elektrischer Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, die zum Liefern einer Widerstandslast zu diesem ausgelegt ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Widerstandsvorrichtung ein mit einer elektrischen Senke verbundener Hochspannungsbus ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Widerstandsvorrichtung ein Vollkurzschluss ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Widerstandsvorrichtung verstellbar ist, um eine Solllast an dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen.
  11. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst, wobei jede der mehreren Brennstoffzellen eine Anode und eine Kathode mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran aufweist, der Brennstoffzellenstapel einen Anodenzufuhrverteiler und einen Anodenauslassverteiler in Verbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines ersten Ventils in einer offenen Stellung oder einer geschlossenen Stellung, wobei das erste Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler steht; Vorsehen eines zweiten Ventils in einer geschlossenen Stellung, wobei das zweite Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenauslassverteiler steht; Zuführen eines Anodenzufuhrstroms zu dem Anodenzufuhrverteiler; Öffnen des ersten Ventils, wenn das erste Ventil in der geschlossenen Stellung vorgesehen ist; Ablassen einer ersten Menge an Luft aus dem Anodenzufuhrverteiler durch das erste Ventil; Überwachen eines Anodendrucks; Schließen des ersten Ventils, wenn der Anodendruck unter einem vorbestimmten Druckwert liegt; Öffnen des zweiten Ventils; und Ablassen einer zweiten Menge an Luft aus dem Anodenauslassverteiler durch das zweite Ventil.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Anodendruck durch Messen eines Drucks des Anodenzufuhrverteilers überwacht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Anodendruck durch Messen einer Druckdifferenz über mindestens einem von erstem und zweitem Ventil überwacht wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Druckaufbau in dem Anodenzufuhrverteiler zwischen den Schritten des Zuführens des Anodenzufuhrstroms und dem Öffnen des ersten Ventils erfolgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Druckwert anzeigt, dass der Anodenzufuhrstrom den Anodenzufuhrverteiler im Wesentlichen gefüllt hat.
  16. Verfahren nach Anspruch 11, welches weiterhin folgenden Schritt umfasst: Aktivieren eines Vollkurzschlusses bei Öffnen des zweiten Ventils, wobei eine mittlere elektrische Spannung des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen bei Null gehalten wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei im Wesentlichen gleichzeitig das erste Ventil geschlossen und das zweite Ventil geöffnet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, welches weiterhin folgende Schritte umfasst: Deaktivieren des Vollkurzschlusses des Brennstoffzellenstapels; und Zuführen eines Kathodenzufuhrstroms zu einem Kathodeneinlassverteiler in Fluidverbindung mit den mehreren Brennstoffzellen nach Zuführen des Anodenzufuhrstroms zu den Anoden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, welches weiterhin den folgenden Schritt umfasst: Anlegen einer minimalen Last an dem Brennstoffzellenstapel während Zuführen des Kathodenzufuhrstroms, wobei Leerlaufspannungsvorgängen entgegengewirkt wird.
  20. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen umfasst, wobei jede der mehreren Brennstoffzellen eine Anode und eine Kathode mit einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran aufweist, der Brennstoffzellenstapel einen Anodenzufuhrverteiler und einen Anodenauslassverteiler in Verbindung mit den Anoden der mehreren Brennstoffzellen aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines ersten Ventils in einer offenen Stellung oder einer geschlossenen Stellung, wobei das erste Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenzufuhrverteiler steht; Vorsehen eines zweiten Ventils in einer geschlossenen Stellung, wobei das zweite Ventil in Fluidverbindung mit dem Anodenauslassverteiler steht; Zuführen eines Anodenzufuhrstroms zu dem Anodenzufuhrverteiler, wobei ein Durchfluss des Anodenzufuhrstroms gesteuert und/oder gemessen wird; Öffnen des ersten Ventils, wenn das erste Ventil in der geschlossenen Stellung vorgesehen ist; Ablassen einer ersten Menge an Luft aus dem Anodenzufuhrverteiler durch das erste Ventil; Messen einer Druckdifferenz über dem ersten Ventil; Berechnen eines Anodendrucks aus der Druckdifferenz und dem Durchfluss des Anodenzufuhrstroms; Schließen des ersten Ventils, wenn der Anodendruck unter einem vorbestimmten Druckwert liegt; Öffnen des zweiten Ventils; und Ablassen einer zweiten Menge an Luft aus dem Anodenauslassverteiler durch das zweite Ventil.
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