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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und
insbesondere ein Inbetriebnahmesystem und -verfahren zum Spülen von Anoden
eines Brennstoffzellenstapels bei Inbetriebnahme bzw. beim Hochfahren.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
Brennstoffzelle ist als eine reine, effiziente und umweltfreundliche
Energiequelle für
Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen
worden. Insbesondere ist die Brennstoffzelle als eine potenzielle
Alternative für
die herkömmlichen
Brennkraftmaschinen, die in modernen Fahrzeugen verwendet werden,
erkannt worden.
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Ein
Typ einer Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle
bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst typischerweise drei Grundkomponenten:
eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Elektrolytmembran.
Die Kathoden- und Anodenelektroden weisen typischerweise einen fein
geteilten Katalysator, wie Platin auf, der auf Kohlenstoffpartikeln
geträgert
und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig
zwischen der Kathode- und
der Anode angeordnet, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu
bilden. Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien (DM) angeordnet, die
eine Lieferung von gasförmigen
Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff, für eine elektrochemische
Brennstoffzellenreaktion fördern.
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Einzelne
Brennstoffzellen können
gemeinsam in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden. Bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels wird typischerweise
Wasserstoffgas dazu verwendet, um die Anoden von Luft zu spülen, die
während
des Abschaltens in die Anoden diffundiert ist und sich in diesen
ansammelt. Das Strömen
von Wasserstoffgas in die Anoden nach einer Abschaltung erzeugt
eine "Wasserstoff-Luft-Front", die über die
Anoden gelangt. Die Spülung
ist erwünschtermaßen rasch,
um den bekannten Kohlenstoffabbau zu minimieren, der auftritt, wenn
sich die Wasserstoff-Luft-Front über
die Anoden bewegt, während
sich Luft an den Kathoden befindet. Ein herkömmliches Brennstoffzellensystem verwendet
hauptsächlich
den Wasserstoffgasdruck während
des Spülens,
um die angesammelte Luft zu verdrängen. Jedoch kann die Füllrate durch
Druckbeschränkungen
des Brennstoffzellenstapels wie auch Strömungswiderstände über das
Brennstoffzellensystem beschränkt
sein.
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Um
einen Kohlenstoffabbau zu mindern, wird manchmal während des
Spülens
ein Kurzschluss des Brennstoffzellenstapels ausgeführt. Jedoch
kann eine Kohlenstoffkorrosion auch durch eine nicht gleichzeitige
Lieferung von Wasserstoff zu den Brennstoffzellen bewirkt werden.
Beispielsweise können
die der Wasserstoffversorgung am nächsten liegenden Brennstoffzellen
Wasserstoff zuerst aufnehmen, und der Kurzschluss wirkt so lange
nicht, bis der größte Teil
der Brennstoffzellen Wasserstoff aufgenommen hat. Somit können die
Brennstoffzellen, die den Wasserstoff zuerst aufnehmen, aufgrund
der Wasserstoff-Luft-Front einer ungeminderten Korrosion ausgesetzt
sein. Zusätzlich
beginnt, wenn viele der Brennstoffzellen beginnen, Wasserstoff aufzunehmen,
der Kurzschluss wirksam zu werden. Jedoch können die Brennstoffzellen,
die keinen Wasserstoff aufweisen, bei einem Phänomen, das als eine "Zellenumkehr" bzw. "Zellenumpolung" bekannt ist, einer
negativen Spannung ausgesetzt werden. Eine Zellenumkehr resultiert
auch in einer unerwünschten
Kohlenstoffkorrosion des Brennstoffzellenstapels.
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Bei
Inbetriebnahme wird auch Luft an einen Austrag eines Brennstoffzellenstapels
umgeleitet, um den ausgetragenen reinen Wasserstoff zu verdünnen. Fahrzeugemissionsstandards
erfordern allgemein, dass die Konzentration von ausgetragenem Wasserstoff
kleiner als vier Volumenprozent (4 Vol.-%) ist. Bekannte Brennstoffzellensysteme
sind jedoch aufgrund der inkonsistenten Bedingungen des Brennstoffzellensystems
nach einer Abschaltperiode, wie einer variablen Menge von angesammelter Luft
an den Anoden, bei einer Optimierung von Wasserstoffemissionen bei
Inbetriebnahme nicht besonders wirkungsvoll.
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Daher
existiert ein fortwährender
Bedarf nach einem Brennstoffzellensystem und einem Verfahren, die
eine effiziente Inbetriebnahme bereitstellen, während erwünschte Wasserstoffaustragsemissionsstandards
erfüllt
werden. Erwünschtermaßen sehen
das Brennstoffzellensystem wie auch die Verfahren eine rasche Systeminbetriebnahme
mit einer minimalen Stapeldegradation durch Optimierung der Wasserstoff-Luft-Frontzeit
während
der Inbetriebnahme vor.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Offenbarung sind überraschend
ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren entdeckt worden, die
eine effiziente Inbetriebnahme bereitstellen, die Wasserstoffaustragsemissionsstandards
er füllt
und eine Wasserstoff-Luft-Frontzeit sowie eine Stapeldegradation
minimiert.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel,
der eine Vielzahl von Brennstoffzellen mit Anoden und Kathoden aufweist.
Der Brennstoffzellenstapel besitzt einen Anodenversorgungsverteiler
und einen Anodenaustragsverteiler in Fluidkommunikation mit den
Anoden. Eine Saugvorrichtung steht in Fluidkommunikation mit dem
Anodenversorgungsverteiler und/oder dem Anodenaustragsverteiler.
Die Saugvorrichtung ist derart ausgebildet, um bei Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems selektiv ein Teilvakuum bzw. einen Unterdruck
an dem Brennstoffzellenstapel zu erzeugen bzw. zu ziehen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst ein erstes Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems
den Schritt, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem Anodenversorgungsverteiler
in Fluidkommunikation mit einem ersten Spülventil und einem Anodeneinlassventil
bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um Wasserstoff
selektiv an den Anodenversorgungsverteiler zu liefern. Der Anodenaustragsverteiler
steht in Fluidkommunikation mit einem Anodenauslassventil. Eine
Saugvorrichtung in Fluidkommunikation mit dem ersten Spülventil
und dem Anodenauslassventil ist ebenfalls vorgesehen. Das erste
Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass: ein Teilvakuum an dem
Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, indem das erste Spülventil
und/oder das Anodenauslassventil geöffnet werden; das Anodenauslassventil
geschlossen wird; der Anodenversorgungsverteiler mit Wasserstoff
durch Öffnen
des Anodeneinlassventils gespült
wird; das erste Spülventil
geschlossen wird, wenn der Anodenversorgungsverteiler im Wesentlichen
mit Wasserstoff gefüllt
ist; die Anoden und der Anodenaustragsverteiler mit Wasserstoff
durch Öffnen
des Anoden auslassventils versorgt werden; und die Kathoden mit Luft versorgt
werden. Der Brennstoffzellenstapel wird dadurch in einen Betriebsmodus
versetzt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein zweites Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems
den Schritt, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem Anodenversorgungsverteiler
in Fluidkommunikation mit einem ersten Spülventil und einem Anodeneinlassventil
bereitgestellt wird, das derart ausgebildet ist, um Wasserstoff
selektiv an den Anodenversorgungsverteiler zu liefern. Der Anodenaustragsverteiler
steht in Fluidkommunikation mit einem zweiten Spülventil und einem Anodenauslassventil.
Es ist auch eine Saugvorrichtung in Fluidkommunikation mit dem ersten
Spülventil
und dem zweiten Spülventil
vorgesehen. Das zweite Verfahren umfasst ferner die Schritte, dass:
ein Teilvakuum an dem Anodenversorgungsverteiler durch Öffnen des
ersten Spülventils
erzeugt wird; der Anodenversorgungsverteiler mit Wasserstoff durch Öffnen des
Anodeneinlassventils gespült
wird; das erste Spülventil
geschlossen wird, wenn der Anodenversorgungsverteiler im Wesentlichen
mit Wasserstoff gefüllt
ist; ein Teilvakuum an dem Anodenaustragsverteiler durch Öffnen des
zweiten Spülventils
und des Anodenauslassventils erzeugt wird, wobei die Anoden und
der Anodenaustragsverteiler mit Wasserstoff versorgt werden; das
zweite Spülventil
geschlossen wird, wenn die Anoden im Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt sind;
und die Kathoden des Brennstoffzellenstapels mit Luft versorgt werden.
Das Brennstoffzellensystem wird dadurch in einen Betriebsmodus versetzt.
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ZEICHNUNGEN
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Die
obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden
dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung
insbe sondere unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen
Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 eine
schematische, perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, die nur zwei Zellen
zeigt;
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2 eine
schematische Schnittansicht des in 1 gezeigten
Brennstoffzellenstapels ist, die eine Vielzahl von Brennstoffzellen
in Fluidkommunikation mit einem Einlassventil, einem Auslassventil und
Spülventilen
zeigt;
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3 ein
schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung mit alternativen Verbindungen ist,
die durch gestrichelte Linien dargestellt sind;
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4 ein
schematisches Flussdiagramm des in 3 gezeigten
Brennstoffzellensystems mit einem Ejektor ist, der derart ausgebildet
ist, um eine Anodenspülung
des Brennstoffzellensystems zu unterstützen, wobei alternative Verbindungen
durch gestrichelte Linien angegeben sind; und
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5 ein
schematisches Flussdiagramm des in 3 gezeigten
Brennstoffzellensystems mit einem Luftkompressor und einem Strömungsbegrenzer
ist, der derart ausge bildet ist, um eine Anodenspülung des
Brennstoffzellensystems zu unterstützen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung bzw.
den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei auch zu verstehen,
dass entsprechende Bezugszeichen in allen Zeichnungen gleiche oder
entsprechende Teile und Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten
Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter
Natur und somit nicht notwendig oder kritisch.
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1 zeigt
einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von MEAs 4, 6,
die voneinander durch eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 getrennt sind.
Der Einfachheit halber ist in 1 nur ein
zwei Zellen umfassender Stapel (d. h. eine Bipolarplatte) veranschaulicht
und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel
viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
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Die
MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen
einem Paar von Klemmplatten 10, 12 und einem Paar
von unipolaren Endplatten 14, 16 aneinander gestapelt.
Die Klemmplatten 10, 12 sind durch ein Dichtungselement
oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch
von den Endplatten 14, 16 isoliert. Die unipolaren
Endplatten 14, beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 und
die unipolare Endplatte 16 weisen Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 auf.
Die Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 verteilen Wasserstoffgas
und Luft über
eine Anode bzw. eine Kathode der MEAs 4, 6.
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Nichtleitende
Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 sehen
Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 vor. Gaspermeable Diffusionsmedien 34, 36, 38, 40 grenzen
an die Anoden und die Kathoden der MEAs 4, 6 an.
Die Endplatten 14, 16 sind benachbart den Diffusionsmedien 34 bzw. 40 angeordnet,
während
die Bipolarplatte 8 benachbart dem Diffusionsmedium 36 an
der Anodenseite der MEA 4 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 8 ist ferner
benachbart dem Diffusionsmedium 38 an der Kathodenseite
der MEA 6 angeordnet.
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Die
Bipolarplatte 8, die unipolaren Endplatten 14, 16 und
die Dichtungselemente 26, 28, 30, 32 umfassen
jeweils eine Anodenversorgungsöffnung 72 und
eine Anodenaustragsöffnung 74,
eine Kathodenversorgungsöffnung 76 und
eine Kathodenaustragsöffnung 78 und
eine Kühlmittelversorgungsöffnung 80 und
eine Kühlmittelaustragsöffnung 82.
Versorgungsverteiler, Austragsverteiler und Kühlmittelverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 werden
durch eine Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 72, 74, 76, 78, 80, 82 in
der Bipolarplatte 8, den unipolaren Endplatten 14, 16 und
den Dichtungselementen 26, 28, 30, 32 geformt.
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Die
Anodenversorgungsöffnungen 72 und die
Anodenaustragsöffnungen 74 stehen
in Fluidkommunikation mit einer Anodeneinlassleitung 84 bzw.
einer Anodenauslassleitung 86. Eine Kathodeneinlassleitung 88 und
eine Kathodenauslassleitung 90 stehen in Fluidkommunikation
mit den Kathodenversorgungsöffnungen 76 bzw.
den Kathodenaustragsöffnungen 78.
Die Kühlmittelversorgungsöffnungen 80 und
die Kühlmittelaustragsöffnungen 82 stehen
in Fluidkommunikation mit einer Kühlmitteleinlassleitung 92 bzw.
einer Kühlmittelauslassleitung 94. Es
sei zu verstehen, dass die Ausgestaltungen der verschiedenen Einlässe 84, 88, 92 und
Auslässe 86, 90, 94 in 1 zum
Zwecke der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Ausgestaltungen gewählt werden
können.
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Wie
in 2 gezeigt ist, kann der Brennstoffzellenstapel 2 eine
Vielzahl von Brennstoffzellen 200 aufweisen. Der zusammengebaute
Brennstoffzellenstapel 2 besitzt einen Anodenversorgungsverteiler 202 und
einen Anodenaustragsverteiler 204. Der Anodenversorgungsverteiler 202 ist
derart ausgebildet, um eine Wasserstoffströmung über die Anodeneinlassleitung 84 aufzunehmen
und den Wasserstoff an die Anoden der Vielzahl von Brennstoffzellen 200 zu liefern.
Der Anodenaustragsverteiler 204 ist derart angepasst, um
die Wasserstoffströmung
von den Anoden der Vielzahl von Brennstoffzellen 200 aufzunehmen
und den Wasserstoff an die Anodenauslassleitung 86 zu liefern.
Der Brennstoffzellenstapel 2 kann ferner eine Versorgungsverteilerspülleitung 206 in
Fluidkommunikation mit dem Anodenversorgungsverteiler 202 und/oder
eine Austragsverteilerspülleitung 208 in
Fluidkommunikation mit dem Anodenaustragsverteiler 204 aufweisen.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
steht die Anodenversorgungsleitung 84 in Fluidkommunikation
mit einem Anodeneinlassventil 210. Ein Anodenauslassventil 212 steht
in Fluidkommunikation mit der Anodenauslassleitung 86.
Ein erstes Spülventil 214 steht
in Fluidkommunikation mit der Versorgungsverteilerspülleitung 206.
Das erste Spülventil 214 erleichtert
eine Spülung
von Gasen von dem Anodenversorgungsverteiler 202, wenn
es sich in einer offenen Position befindet. Ein zweites Spülventil 216 kann
in Fluidkommunikation mit dem Anodenaustragsverteiler 204 stehen.
Das zweite Spülventil 216 erleichtert
eine Spülung
von Gasen von dem Anodenaustragsverteiler, wenn es sich in einer
offenen Position befindet. Es sei angemerkt, dass das Anodenauslassventil 212,
das erste Spülventil 214 und das
zweite Spülventil 216 gegebenenfalls
einzeln oder in einer beliebigen Kombination bei einer Spülung der
Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 verwendet werden können.
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3 zeigt
ein Brennstoffzellensystem 300 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 300 weist den
Brennstoffzellenstapel 2 auf. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist die
Anodeneinlassleitung 84 und die Anodenauslassleitung 86 und
die Kathodeneinlassleitung 88 und die Kathodenauslassleitung 90 auf.
Jede der Einlassleitungen 84, 88 und Auslassleitungen 86, 90 steht
in Fluidkommunikation mit den jeweiligen Anoden und Kathoden der
Vielzahl von Brennstoffzellen 200. Bei einer bestimmten
Ausführungsform
ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer elektrischen
Last verbunden, wie einem elektrischen Antriebsmotor (nicht gezeigt)
eines Elektrofahrzeugs.
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Das
Brennstoffzellensystem 300 weist einen Luftkompressor 302 in
Fluidkommunikation mit der Kathodeneinlassleitung 88 auf.
Der Luftkompressor 302 ist derart angepasst, um Luft beispielsweise
aus der umgebenden Atmosphäre
aufzunehmen und die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 mit
der Luft zu versorgen. Das Brennstoffzellensystem 300 weist auch
eine Wasserstoffquelle 304 auf, die derart ausgebildet
ist, um die Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoffgas
zu versorgen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die Wasserstoffquelle 304 ein
Hochdruckspeichergefäß mit komprimiertem Wasserstoffgas
sein. Es sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere geeignete
Wasserstoffquellen 304 verwendet werden können.
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Das
Anodeneinlassventil 210 ist zwischen der Wasserstoffquelle 304 und
dem Anodeneinlass 84 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet.
Das Anodeneinlassventil 210 ist derart angepasst, um Wasserstoff
selektiv von der Wasserstoffquelle 304 an die Anoden des
Brennstoffzellenstapels 2 zu liefern.
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Das
Brennstoffzellensystem 300 weist ferner ein Bypassventil 306 auf,
das zwischen dem Luftkompressor 302 und dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet
ist. Das Bypassventil 306 ist derart angepasst, um eine
Strömung
der Luft selektiv von dem Luftkompressor 302 um den Brennstoffzellenstapel 2 herum
zu lenken. Bei einer Ausführungsform
lenkt das Bypassventil 306 die Luftströmung von dem Luftkompressor 302 zu
einem Austrag. Die Luft mischt sich mit restlichem Wasserstoff und
Produkten, die von den Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 ausgetragen
werden, und verdünnt
diese.
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Ein
Luftversorgungsventil 308 kann in Fluidkommunikation mit
dem Luftkompressor 302 und dem Brennstoffzellenstapel 2 vorgesehen
sein. Das Luftversorgungsventil 308 kann zusätzlich zu
dem Bypassventil 306 zum Zweck der Steuerung der Luftströmung zu
dem Brennstoffzellenstapel 2 verwendet werden. Beispielsweise
kann zwischen dem Bypassventil 306 und dem Luftversorgungsventil 308 übergegangen
bzw. gewechselt werden, um überschüssigen Wasserstoffemissionen
entgegenzuwirken. Es sei angemerkt, dass, während der Brennstoffzellenstapel 2 gefüllt wird,
sich Wasserstoff durch die Polymerelektrolytmembran zu den Kathoden
beispielsweise über
Diffusion und elektrochemisches Pumpen bewegen kann. Bei einem Strömen von
Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 2 wird der Wasserstoff
in den Kathoden zu dem Austrag herausgetrieben. Durch Überlappen
des Öffnens
und Schließens
des Bypassventils 306 und des Luftversorgungsventils 308 kann
eine Luftmenge für
den Austrag des Brennstoffzellenstapels 2 bereitgestellt
werden, die ausreichend ist, um den Wasserstoff, der die Kathoden während des
Befüllens
der Kathoden mit Luft verlässt,
zu verdünnen.
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Bei
einer bestimmten Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung weist das Brennstoffzellensystem 300 eine
Saugvorrichtung 310 auf. Die Saugvorrichtung 310 steht
in Fluidkommunikation mit dem Anodenversorgungsverteiler 202 und/oder
dem Anodenaustragsverteiler 204 des Brennstoffzellenstapels 2.
Die Saugvorrichtung 310 ist derart angepasst, um zumindest
ein Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 selektiv
während
eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems 300 zu erzeugen.
Die Saugvorrichtung 310 erzeugt ein Vakuum unterhalb des
Umgebungsdruckes, was das Füllen
des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoff unterstützt. Beispielsweise
kann die Saugvorrichtung 310 ein Vakuum von zumindest etwa
5 kPa unterhalb des Umgebungsdruckes bereitstellen. Bei einem anderen
nicht beschränkenden
Beispiel stellt die Saugvorrichtung 310 ein Vakuum von
bis zu etwa 40 kPa unterhalb des Umgebungsdruckes bereit. Es sei
angemerkt, dass gegebenenfalls andere geeignete Unterdrücke bzw.
Vakuum verwendet werden können.
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Die
Saugvorrichtung 310 kann derart angepasst sein, um ein
Teilvakuum selektiv beispielsweise an dem Anodenversorgungsverteiler 202 und/oder
dem Anodenaustragsverteiler 204 zu erzeugen. Die Saugvorrichtung 310 kann
auch derart angepasst sein, um das Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 als
ein Ganzes selektiv zu erzeugen, d. h. ein gleichzeitiges Erzeugen
eines Teilvakuums an den Anoden und sowohl dem Anodenversorgungsverteiler 202 als
auch dem Anodenaustragsverteiler 204. Die Saugvorrichtung 310 ist
insbesondere angepasst, um ein Spülen der Verteiler und ein Füllen der
Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoff während des
Inbetriebnahmevorgangs zu unterstützen.
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Die
Saugvorrichtung 310 steht in Fluidkommunikation mit dem
Anodenauslassventil 212, dem ersten Spülventil 214 und/oder
dem zweiten Spül ventil 216.
Es sei zu verstehen, dass, wenn sich eines des Anodenauslassventils 212,
des ersten Spülventils 214 und
des zweiten Spülventils 216 in
einer offenen Stellung befindet, die Saugvorrichtung 310 ein
Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugen kann.
Gleichermaßen
ist, wenn sich alle des ersten Spülventils 214, des
zweiten Spülventils 216 und
des Anodenauslassventils 212 in Kommunikation mit der Saugvorrichtung 310 in
einer geschlossenen Stellung befinden, die Saugvorrichtung 310 nicht in
der Lage, das Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 zu
erzeugen. Somit wird die Betätigung der
Ventile 212, 214, 216 dazu verwendet,
das Teilvakuum selektiv an dem Brennstoffzellenstapel 2 zu erzeugen.
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Als
ein nicht beschränkendes
Beispiel kann, wenn Wasserstoff über
das Anodeneinlassventil 210 geliefert wird, das erste Spülventil 214 sich
in einer offenen Stellung befindet und die anderen Ventile 212, 216 (wenn
vorhanden) geschlossen sind, das Teilvakuum im Wesentlichen ausschließlich an
dem Anodenversorgungsverteiler 212 gezogen werden. Als
ein weiteres nicht beschränkendes
Beispiel kann, wenn sich das erste Spülventil 214 und das
Anodenauslassventil 212 in offenen Stellungen befinden,
das Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 als ein Ganzes,
einschließlich
dem Anodenversorgungsverteiler 202, dem Anodenaustragsverteiler 204 und
den Anoden der Vielzahl von Brennstoffzellen 200 gezogen
werden.
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Das
Brennstoffzellensystem 300 der vorliegenden Offenbarung
kann ferner zumindest eine Stapelkurzschlussvorrichtung (nicht gezeigt)
in elektrischer Kommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 2 besitzen.
Bei bestimmten Ausführungsformen ist
die Stapelkurzschlussvorrichtung ein Widerstand. Die Stapelkurzschlussvorrichtung
ist derart angepasst, um eine Widerstandslast an dem Brennstoffzellenstapel 2 bei
Inbetriebnahme anzulegen, wodurch einer durch Kohlenstoffkorrosion
bewirkten Brenn stoffzellendegradation entgegengewirkt wird. Eine
geeignete Stapelkurzschlussvorrichtung ist in der ebenfalls anhängigen U.S.-Anmeldung
Seriennr. 11/684,302 des Anmelders beschrieben, die hier in ihrer
Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Gegebenenfalls können andere
geeignete Stapelkurzschlussvorrichtungen verwendet werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem 300 kann auch eine Anodenrückführpumpe
(nicht gezeigt) verwendet werden. Eine geeignete Anodenrückführpumpe
ist in der ebenfalls anhängigen
U.S.-Anmeldung Seriennr. 11/671,017 des Anmelders beschrieben, die
hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Die
Anodenrückführpumpe
kann in Fluidkommunikation mit dem Anodenversorgungsverteiler 202 und
dem Anodenaustragsverteiler 204 stehen. Die Anodenrückführpumpe
ist derart angepasst, um restlichen Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenstapel 2 beim
Betrieb ausgetragen wird, rückzuführen. Die
Anodenrückführpumpe
liefert den restlichen Wasserstoff zurück an den Anodenversorgungsverteiler 202,
wo er in den elektrochemischen Reaktionen des Brennstoffzellenstapels 2 verwendet
werden kann.
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Das
Brennstoffzellensystem 300 kann auch ein Anodenablassventil
(nicht gezeigt) besitzen, das derart ausgelegt ist, um angesammelten
Stickstoff in dem Brennstoffzellenstapel 2 abfließen zu lassen. Der
Stickstoff kann sich beispielsweise aufgrund des Übertritts
der Kathodenluft durch die Polymerelektrolytmembran und eine Rückführung des
Anodenaustrags mit restlichem Wasserstoff an den Anodenversorgungsverteiler 202 über die
Anodenrückführpumpe
ansammeln. Bei bestimmten Ausführungsformen können das
Anodenauslassventil 212, das erste Spülventil 214 und/oder
das zweite Spülventil 216 als das
Anodenablassventil verwendet werden.
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Das
Brennstoffzellensystem 300 kann andere in der Technik bekannte
Brennstoffzellensystemkomponenten verwenden. Beispielsweise kann
das Brennstoffzellensystem einen Feuchtesensor, einen Spannungssensor,
einen Drucksensor, eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung, einen
Controller, ein Rückschlagventil
und/oder einen Ladeluftkühler
aufweisen. Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 300 eine
Vielzahl von gleichermaßen
ausgestalteten Brennstoffzellenstapeln 2.
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Weitere
Ausführungsformen
des Brennstoffzellensystems 300 sind in den 4 und 5 gezeigt.
Gleiche oder verwandte Strukturen, die sich aus den 1 bis 3 wiederholen,
weisen dieselben Bezugszeichen mit einem Strichindexsymbol (') oder einem Doppelstrichindexsymbol
('') auf.
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Bei
einer in 4 gezeigten Ausführungsform
ist die Saugvorrichtung 310' des
Brennstoffzellensystems 300' ein
Ejektor, wie beispielsweise eine Strahlpumpe, eine Venturidüse oder
ein Aspirator. Die Saugvorrichtung 310' besitzt einen Antriebsdurchlass,
einen Abflussdurchlass und einen Saugdurchlass. Die Saugvorrichtung 310' ist derart
ausgebildet, um eine Antriebsströmung
eines Fluides, wie einen Luftstrom, durch die Antriebs- und Abflussdurchlässe aufzunehmen
und eine Saugwirkung an dem Saugdurchlass zu erzeugen. Die Saugwirkung ist
in der Lage, gegebenenfalls ein Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 zu
erzeugen.
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Der
Antriebsdurchlass der Saugvorrichtung 310 steht in Fluidkommunikation
mit einem Antriebsströmungsgenerator,
wie dem Luftkompressor 302, der dazu verwendet wird, im
Betrieb den Brennstoffzellenstapel 2 mit Luft zu versorgen.
Der Antriebsströmungsgenerator
kann jedoch ein zweiter Luftkompressor sein. Es sei angemerkt, dass
auch andere geeignete Antriebsströmungsgeneratoren verwendet
werden können.
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Bei
einem bestimmten Beispiel steht der Antriebsdurchlass der Saugvorrichtung 310' in Fluidkommunikation
mit dem Bypassventil 306 und dem Luftkompressor 302.
Wenn das Bypassventil 306 derart ausgelegt ist, um eine
Luftströmung
um den Brennstoffzellenstapel 2 herumzuleiten, wie während des
Inbetriebnahmevorgangs, wird die Luftströmung durch den Antriebsdurchlass
der Saugvorrichtung 310' gelenkt.
Die Luftströmung
stellt die Antriebskraft bereit, die eine Saugwirkung an dem Saugdurchlass ermöglicht.
Die Luftströmung
wird dann zusammen mit Gasen, die an dem Saugdurchlass eingezogen werden,
aus dem Abflussdurchlass an den Austrag des Brennstoffzellensystems 300' gelenkt.
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Dem
Fachmann ist offensichtlich, dass die Saugvorrichtung 310' derart angepasst
sein kann, um ein Verhältnis
einer Saugwasserstoffströmung
zu einer Antriebsluftströmung
bereitzustellen, so dass die Wasserstoffkonzentration, die von der
Saugvorrichtung 310' abfließt, geringer
als eine untere Entflammbarkeits- bzw. Explosionsgrenze (LFL) von Wasserstoff
in Luft ist. Bei einer besonderen Ausführungsform stellt die Saugvorrichtung 310' ein Verhältnis der
Wasserstoffströmung
zu der Antriebsluftströmung
bereit, das eine Konzentration von ausgetragenem Wasserstoff von
weniger als etwa vier Volumenprozent (4 Vol.-%) zur Folge hat.
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Wie
in 5 gezeigt ist, umfasst die Saugvorrichtung 310'' des Brennstoffzellensystems 300'' den Luftkompressor 302 und
einen Strömungsbegrenzer 500,
wie einen Luftfilter, der derart ausgebildet ist, um eine Luftströmung zu
hemmen, die durch den Luftkompressor 302 hindurch gezogen
wird. Andere geeignete Strömungsbegrenzer 500 können gegebenenfalls
verwendet werden, wie beispielsweise ein strömungsbegrenzendes Ventil. Der
Luftkompressor 302 steht in Fluidkommunikation mit dem Strömungsbegrenzer 500.
Eine Zone 502 mit reduziertem Druck wird zwi schen dem Strömungsbegrenzer 500 und
dem Luftkompressor 302 während des Betriebs des Luftkompressors 302 bei
Inbetriebnahme gebildet. Es sei angemerkt, dass, wenn der Strömungsbegrenzer 500 einem
Strömen
von Luft in den Luftkompressor 302 entgegenwirkt, ein herabgesetzter
Druck erzeugt werden kann, der ausreichend ist, um ein Teilvakuum
an dem Brennstoffzellenstapel 2 zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem 300'' umfasst das Bypassventil 306,
das derart angepasst ist, um beispielsweise die Strömung der
Luft selektiv von dem Luftkompressor 302 um den Brennstoffzellenstapel 2 herum
und zu einem Austrag zu lenken.
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Die
vorliegende Offenbarung umfasst ein erstes Verfahren zum Starten
des Brennstoffzellensystems 300. Das Verfahren umfasst
den Schritt, dass das Brennstoffzellensystem 300 bereitgestellt wird.
Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 300 den
Brennstoffzellenstapel 2 mit dem Anodenversorgungsverteiler 202 und
dem Anodenaustragsverteiler 204 in Fluidkommunikation mit
den Anoden aufweisen. Der Anodenversorgungsverteiler 202 des
Brennstoffzellenstapels 2 steht in Fluidkommunikation mit
einem Anodeneinlassventil, das derart ausgebildet ist, um Wasserstoff
selektiv von der Wasserstoffquelle 304 an den Anodenversorgungsverteiler
zu liefern. Der Anodenversorgungsverteiler 202 steht auch
in Fluidkommunikation mit dem ersten Spülventil 214. Der Anodenaustragsverteiler 204 steht
in Fluidkommunikation mit dem Anodenauslassventil 212.
Das bereitgestellte Brennstoffzellensystem 300 umfasst
ferner die Saugvorrichtung 310 in Fluidkommunikation mit
dem ersten Spülventil 214 und
dem Anodenauslassventil 212. Die Saugvorrichtung 310 ist
derart ausgebildet, um nach Bedarf das Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 zu
erzeugen.
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Gemäß dem ersten
Verfahren werden das Anodenauslassventil 212 und/oder das
erste Spülventil 214 geöffnet. Bei
einer bestimmten Ausfüh rungsform
werden sowohl das Anodenauslassventil 212 als auch das
erste Spülventil 214 gleichzeitig
geöffnet.
Beim Öffnen
von zumindest einem des Anodenauslassventils 212 und des
ersten Spülventils 214 in
Fluidkommunikation mit der Saugvorrichtung wird das Teilvakuum an
dem Brennstoffzellenstapel als ein Ganzes gezogen. Es sei angemerkt,
dass ein Öffnen
sowohl des Anodenauslassventils 212 als auch des ersten
Spülventils 214 einem
Ziehen von Gasen von einem des Anodenversorgungsverteilers 202 und
des Anodenaustragsverteilers 204 in die Anoden der Brennstoffzellen 200 entgegenwirkt.
Somit wird einem Verlauf von Wasserstoff-Luft-Fronten über die Anoden durch anfängliches
Erzeugen des Teilvakuums an sowohl der Seite des Anodenversorgungsverteilers 202 als
auch der Seite des Anodenaustragsverteilers 204 des Brennstoffzellenstapels 2 entgegengewirkt.
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Das
Verfahren umfasst als Nächstes
einen Schritt zum Schließen
des Anodenauslassventils 212. Das Anodeneinlassventil 210 wird
dann geöffnet,
was in einem Spülen
des Anodenversorgungsverteilers 202 resultiert. Während des
Spülschrittes sei
angemerkt, dass Wasserstoff durch das Anodeneinlassventil 210 mit
einem Durchfluss geliefert werden kann, der einer Strömung von
Wasserstoff in die Anoden der Brennstoffzellen 200 entgegenwirkt.
Beispielsweise wird der Wasserstoff mit einer Rate geliefert, die
ausreichend ist, um das interne Vakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 aufrecht
zu erhalten. Das interne Vakuum an dem Brennstoffzellenstapel kann
im Wesentlichen gleich dem Vakuum sein, das vor der Einführung von
Wasserstoff über
das Anodeneinlassventil 210 hergestellt wird. Der Wasserstoff
wird durch den Anodenversorgungsverteiler 202 und das erste
Spülventil 214 in
Kommunikation mit der Saugvorrichtung 310 gezogen, wodurch
jeglicher wesentlichen Wanderung des Wasserstoffs in die Anoden
des Brennstoffzellenstapels 2 entgegengewirkt wird. Die
Dauer des Spülschrittes
ist eine Zeitdauer, die angemessen ist, um den Anodenversorgungsverteiler 202 im
Wesentlichen mit dem Wasserstoffgas zu füllen.
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Nach
dem Spülen
des Anodenversorgungsverteilers 202 wird das erste Spülventil 214 geschlossen
und das Anodenauslassventil 212 wird geöffnet. Die Anoden der Brennstoffzellen 200 und
der Anodenaustragsverteiler 204 werden dann mit Wasserstoff
in einem "Stapelfüll"-Schritt gespült. Der
Durchfluss des Wasserstoffs kann beim Öffnen des Anodenauslassventils 212 erhöht werden,
um eine rasche Füllung
der Anoden und des Anodenaustragsverteilers 204 zu fördern. Es
sei angemerkt, dass das Füllen
der Anoden und des Anodenaustragsverteilers 204 während dieses
Schrittes durch Erzeugen des Teilvakuums an dem Anodenauslassventil 212 unterstützt wird.
Die Dauer des Stapelfüllschrittes
ist eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um die Anoden der Brennstoffzellen 200 im
Wesentlichen mit Wasserstoff zu füllen.
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Um
die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 300 zu vervollständigen,
werden die Kathoden der Brennstoffzellen 200 mit Luft versorgt. Beispielsweise
wird die Luft durch den Luftkompressor 302 bereitgestellt.
Bei dem Schritt zum Versorgen der Kathoden mit Luft kann das Bypassventil 306 und/oder
das Luftversorgungsventil 308 derart ausgelegt sein, um
Luft an die Kathodeneinlassleitung 88 des Brennstoffzellenstapels 2 umzulenken.
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Mit
neuerlichem Bezug auf 4 kann das erste Verfahren die
Saugvorrichtung 310' verwenden,
wie den Ejektor mit dem Antriebsdurchlass, dem Abflussdurchlass
und dem Saugdurchlass. Der Saugdurchlass kann in Fluidkommunikation
mit dem Anodenauslassventil 212 und/oder dem ersten Spülventil 214 stehen.
Der Luftkompressor 302 kann auch in Fluidkommunikation
mit dem Antriebsdurchlass der Saugvorrichtung 310' vorgesehen
sein. Im Betrieb umfasst das Verfahren daher den Schritt zum Starten
des Luftkompressors 302, um die Antriebsluftströmung zu
der Saugvorrichtung 310' bereitzustellen.
Der Luftkompressor 302 wird vor dem Erzeugen des Teilvakuums
an dem Brennstoffzellenstapel 2 gestartet, so dass die
Saugvorrichtung 310' eine Saugwirkung
erzeugen kann, die ausreichend ist, um das Teilvakuum zu erzeugen.
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Das
Verfahren kann ferner die Schritte umfassen, dass die Stapelkurzschlussvorrichtung
in elektrischer Kommunikation mit dem Brennstoffzellenstapel 2 vorgesehen
wird. Die Stapelkurzschlussvorrichtung wird vor dem Füllen der
Anoden mit Wasserstoff eingekoppelt. Dadurch wird eine elektrische Last
an dem Brennstoffzellenstapel 2 angelegt, die einer Kohlenstoffkorrosion
des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirkt, während die
Anoden mit Wasserstoff gefüllt
werden. Nachdem die Anoden im Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt sind,
kann die Stapelkurzschlussvorrichtung ausgekoppelt werden.
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Dem
Fachmann sei angemerkt, dass ein Teilvakuum typischerweise in den
Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 während einer herkömmlichen Abschaltung
erzeugt wird. Da Wasserstoff ohne Wiederauffüllung verbraucht wird, werden
die Anodengase abgekühlt
und Wasserdampf kondensiert, was in einem Druck unterhalb Umgebungsdruck
an den Anoden, dem Anodenversorgungsverteiler 202 und dem
Anodenaustragsverteiler 204 resultiert. Somit erlaubt bei
herkömmlichen
Systemen das Öffnen
des Anodenauslassventils 212 eine Rückströmung von Luft von der Atmosphäre in die
Anoden, die den Druck unterhalb Umgebungsdruck besitzt. Der Rückfluss
erzeugt eine unerwünschte
Wasserstoff-Luft-Front, die eine Kohlenstoffkorrosion und eine Leistungsverschlechterung
zur Folge haben kann. Das Brennstoffzellensystem 300, 300' und das erste
Verfahren der Offenbarung wirken einem Rückfluss von Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 durch Füllen der
Anoden mit Wasserstoff entgegen.
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Die
vorliegende Offenbarung weist auch ein zweites Verfahren zum Starten
des Brennstoffzellensystems 300 auf. Das zweite Verfahren
weist auch den Schritt zur Bereitstellung des Brennstoffzellensystems 300 auf.
Beispielsweise weist der Brennstoffzellenstapel 2 den Anodenversorgungsverteiler 202 in
Fluidkommunikation mit dem Anodeneinlassventil 210 und
dem ersten Spülventil 214 auf.
Im Gegensatz zu dem ersten Verfahren steht der Anodenaustragsverteiler 204 jedoch
in Fluidkommunikation mit dem Anodenauslassventil 212 und
dem zweiten Spülventil 216.
Die Saugvorrichtung 310 ist ebenfalls in Fluidkommunikation
mit dem ersten Spülventil 214 und
dem zweiten Spülventil 216 vorgesehen
und derart angepasst, um ein Vakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 nach
Bedarf zu erzeugen.
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Gemäß dem zweiten
Verfahren erzeugt die Saugvorrichtung 310 das Vakuum im
Wesentlichen ausschließlich
an dem Anodenversorgungsverteiler 202, wenn das erste Spülventil 214 geöffnet ist.
Im Betrieb folgt dem Erzeugen des Teilvakuums an dem Anodenversorgungsverteiler 202 ein
Spülschritt.
Bei dem Spülschritt
wird das Anodeneinlassventil 210 geöffnet und der Anodenversorgungsverteiler 202 wird
im Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt. Nachdem der Anodenversorgungsverteiler 202 im
Wesentlichen mit Wasserstoff gefüllt
ist, wird das erste Spülventil 214 geschlossen.
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Das
Verfahren umfasst als Nächstes
den Schritt zum Erzeugen des Teilvakuums an dem Anodenaustragsverteiler 204 durch Öffnen des
Anodenauslassventils 212 und des zweiten Spülventils 216. Das Öffnen der
Ventile 212, 216 kann im Wesentlichen gleichzeitig
mit dem Schließen
des ers ten Spülventils 214 ausgeführt werden.
Wenn das Anodeneinlassventil 210 bereits geöffnet ist,
ermöglicht
das Öffnen
der Ventile 212, 216 ein Spülen der Anoden und des Anodenaustragsverteilers 204 mit
Wasserstoff bei dem Stapelfüllschritt.
Das Öffnen
sowohl des Anodenauslassventils 212 als auch des zweiten Spülventils 216,
die beide in Fluidkommunikation mit der Saugvorrichtung 310 stehen,
erleichtert eine rasche Füllung
der Anoden und des Anodenaustragsverteilers 204 mit Wasserstoff.
Insbesondere minimiert ein Öffnen
beider Ventile 212, 216 einen Widerstand gegenüber einer
Wasserstoffströmung
durch die Anoden und den Anodenaustragsverteiler 204. Das
zweite Spülventil 216 wird
geschlossen, wenn beispielsweise die Anoden im Wesentlichen mit
Wasserstoff gefüllt
sind.
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Wie
bei dem hier beschriebenen ersten Verfahren wird die Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems 300 gemäß dem zweiten Verfahren vervollständigt, wenn
die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 2 mit Luft versorgt
werden. Mit sowohl zu den Anoden strömendem Wasserstoff als auch
zu den Kathoden strömender
Luft wird das Brennstoffzellensystem 300 in einen Betriebsmodus
versetzt.
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Mit
neuerlichem Bezug auf 5 kann das zweite Verfahren
das Brennstoffzellensystem 300'' verwenden,
das die Saugvorrichtung 310'', beispielsweise
den Luftkompressor 302, in Fluidkommunikation mit dem Strömungsbegrenzer 500 aufweist
und eine dazwischen angeordnete Zone 502 mit reduziertem
Druck besitzt. Bei dieser Konfiguration stehen das erste Spülventil 214 und
das zweite Spülventil 216 in
Fluidkommunikation mit der Zone 502 mit reduziertem Druck.
Wenn das zweite Verfahren die Saugvorrichtung 310'' verwendet, umfasst das Verfahren
den Schritt zum Starten des Luftkompressors vor dem Schritt zum
Erzeugen des Teilvakuums an dem Anodenversorgungsverteiler 202.
Das Vakuum wird da durch in der Zone 502 mit reduziertem
Druck erzeugt, der ausreichend ist, um das Teilvakuum an dem Brennstoffzellenstapel 2 zu
erzeugen.
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Es
sei angemerkt, dass das Brennstoffzellensystem 300, 300', 300'' und die hier beschriebenen Verfahren
das selektive Erzeugen des Teilvakuums verwenden, um Luft von den
Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 zu ziehen, die sich
während
einer Abschaltung des Brennstoffzellensystems angesammelt hat. Somit
wird das Spülen
und Füllen
der Anoden mit Wasserstoff durch das Erzeugen des Teilvakuums an
dem Brennstoffzellenstapel 2 unterstützt. Ein Wasserstoffdruck,
der ausreichend ist, um die angesammelte Luft zu verdrängen, wird
hierdurch reduziert, insbesondere, da das Teilvakuum durch Ziehen der
angesammelten Luft von dem Brennstoffzellenstapel 2 unterstützend wirkt.
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Dem
Fachmann sei offensichtlich, dass das Brennstoffzellensystem 300, 300', 300'' und die Verfahren der Offenbarung
einer Wasserstoffströmung
in die Anoden der Vielzahl von Brennstoffzellen 200 während dem
Spülen
des Anodenversorgungsverteilers 202 entgegenwirken. Beispielsweise
erlaubt das Teilvakuum, das an dem Anodenversorgungsverteiler 202 vor
dem Wasserstoffspülschritt
erzeugt wird, eine rasche Füllung
ohne Überschreitung
eines Drucks, bei dem der Wasserstoff in die Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 getrieben
wird.
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Das
unterstützte
Spülen
und Füllen
des Brennstoffzellenstapels 2 mit Wasserstoff über das Erzeugen
des Teilvakuums an dem Anodenversorgungsverteiler 202 und/oder
dem Anodenaustragsverteiler 204 fördert auch eine rasche und
zuverlässige
Inbetriebnahme. Das Brennstoffzellensystem 300, 300', 300'' und die Verfahren resultieren
in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Verteilung
von Wasserstoff über
die Anoden des Brennstoffzellenstapels 2 hinweg. Wenn sich
die Wasserstoff-Luft-Front rasch als eine "schnelle Front" in Ansprechen auf sowohl den Wasserstoffdruck
als auch das Teilvakuum, das an dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugt
wird, bewegt, wird einer Zellenumkehr, negativen Zellenspannungen
und einer Kohlenstoffkorrosion entgegengewirkt. Dadurch wird eine
Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 2 optimiert.
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Das
Brennstoffzellensystem 300, 300', 300'' und
die Verfahren der Offenbarung minimieren auch Wasserstoffemissionen.
Beispielsweise kann aufgrund der Unterstützung der Anodenspülung und Füllung des
Brennstoffzellenstapels 2 mit dem daran gezogenen Teilvakuum
der Druck des an den Brennstoffzellenstapel 2 gelieferten
Wasserstoffs reduziert werden. Herkömmliche Brennstoffzellensysteme
verlassen sich auf den Wasserstoffdruck, um eine Kombination von
angesammelter Luft und restlichem Wasserstoff mit unbekannter Zusammensetzung
zu verdrängen.
Das an dem Brennstoffzellenstapel 2 gezogene Teilvakuum
erlaubt die Verwendung von weniger Wasserstoff, um die Gase zu verdrängen, die nach
Abschaltung vorhanden sind. Mit dem vorliegenden Brennstoffzellensystem 300, 300', 300'' und den Verfahren wird dadurch
eine Bereitstellung einer ausreichenden Menge von Wasserstoff für Betriebsabläufe des
Brennstoffzellenstapels 2 gefördert, während eine Menge nicht überschritten
wird, die in Abgasemissionen resultiert, die größer als etwa vier Volumenprozent
sind.
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Während bestimmte
repräsentative
Ausführungsformen
und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung
gezeigt worden sind, sei dem Fachmann angemerkt, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung ausgeführt werden
können,
der in den folgenden angefügten
Ansprüchen
weiter beschrieben ist.