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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und
insbesondere ein Verfahren zum Hochfahren bzw. Starten des Brennstoffzellensystems.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 nach
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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3 ist
eine Seitenquerschnittansicht des in 2 dargestellten
Brennstoffsystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Anodenzufuhrstrom gleichmäßig zu einzelnen
Brennstoffzellen verteilt; und
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4 ist
ein beispielhafter Graph, der einen absoluten Anodendruck während eines
Starts eines Brennstoffzellensystems nach einer Ausführungsform
der Offenbarung darstellt.
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Eingehende Beschreibung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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.
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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 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.
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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 Anodenablassstrom,
beispielsweise restlicher gasförmiger
Wasserstoff, Luft und Wasser, aus den mehreren Brennstoffzellen 202 aufzunehmen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.