DE102008061027A1 - Verfahren zur Maximierung einer Brennstoffzellenspannung bei Inbetriebnahme - Google Patents

Verfahren zur Maximierung einer Brennstoffzellenspannung bei Inbetriebnahme Download PDF

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Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems offenbart, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen bereitgestellt wird, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt, wobei Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird und ein Strom in dem Brennstoffzellensystem nach der Abschaltspülung erzeugt wird, um Produktwasser zu erzeugen und damit die Protonenaustauschmembran zu hydratisieren.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, um einen Inbetriebnahmevorgang des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen zu optimieren, die ein Gefrieren von Wasser in dem Brennstoffzellensystem zur Folge haben können.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellensysteme wandeln einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel in einem Brennstoffzellenstapel in Elektrizität um. Ein Typ von Brennstoffzellensystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (nachfolgend "PEM"), um eine Reaktion des Brennstoffs (wie Wasserstoff) und des Oxidationsmittels (wie Sauerstoff oder Luft) zur Erzeugung von Elektrizität katalytisch zu fördern. Die PEM ist eine Festpolymerelektrolytmembran, die eine Übertragung von Protonen von einer Anode zu einer Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems fördert. Elektroden, ein Katalysator und die PEM sind zusammengebaut, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden.
  • Bei einer typischen PEM-Brennstoffzellenanordnung ist die MEA zwischen Gasdiffusionsmedien (GDM) angeordnet. Die GDM und die MEA sind zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten angeordnet. Wenn die Platten Bipolarplatten sind, leiten die Platten Strom zwischen benachbar ten Brennstoffzellenanordnungen in dem Brennstoffzellensystem. Wenn die Platten Unipolarplatten an einem Ende eines Stapels von Brennstoffzellenanordnungen sind, leiten die Platten Strom außerhalb der Brennstoffzellenanordnungen.
  • Einzelne Brennstoffzellenanordnungen umfassen darin geformte Kanäle, um eine Strömung der Reaktanden und eines Kühlfluides hindurch zu fördern. Brennstoffzellenplatten sind typischerweise mit serpentinenartigen Strömungskanälen ausgelegt. Serpentinenartige Strömungskanäle sind erwünscht, da sie Reaktanden effektiv über einen aktiven Bereich der Brennstoffzellenanordnung verteilen, wodurch eine Leistungsfähigkeit sowie eine Stabilität der Brennstoffzellenanordnung maximiert werden. Eine Wasserbewegung von den Strömungskanälen zu Auslassverteilern der Brennstoffzellenplatten wird durch die Strömung der Reaktanden durch die Brennstoffzellenanordnung bewirkt. Es kann sich Wasser in PEM-Brennstoffzellensystemen ansammeln und bei frostigen Bedingungen Eis bilden. Ein wiederholtes Gefrieren und Auftauen der PEM kann eine Nutzlebensdauer der PEM reduzieren. Zusätzlich ist eine Zeitdauer, die für einen Inbetriebnahmevorgang des Brennstoffzellensystems erforderlich ist, aufgrund der Anwesenheit von Wasser und Eis in dem Brennstoffzellensystem erhöht. Eine Aufwärm- und Wegfahrzeit eines das Brennstoffzellensystem aufweisenden Fahrzeugs ist ebenfalls erhöht.
  • Typischerweise wird ein Entleervorgang verwendet, um das Wasser in den Verteilern des Brennstoffzellensystems während eines Abschaltvorgangs zu entfernen. Wasser, das nach dem Entleervorgang in dem Brennstoffzellensystem verbleibt, kann von dem Brennstoffzellensystem mit einer Abschaltspülung entfernt werden. Die Abschaltspülung kann eine Vakuumverdunstung, eine Luftspülung, eine Beendigung der Befeuchtung der Reaktanden oder andere in der Technik bekannte ähnliche Verfahren zum Minimieren von Feuchte in Brennstoffzellenanordnungen umfassen.
  • Um eine hohe Protonenleitfähigkeit sowie einen geringen Innenwiderstand in dem Brennstoffzellensystem während eines Inbetriebnahmevorgangs und eines Normalbetriebs aufrechtzuerhalten, muss die PEM ein gewünschtes Niveau an Hydratation aufrechterhalten. Herkömmliche Abschaltspülvorgehensweisen sind typischerweise dazu bestimmt, Flüssigkeit von den Strömungskanälen der Brennstoffzellenplatten, den GDM, den Elektrodenporen und der PEM des Brennstoffzellensystems zu beseitigen. Eine angemessene Entfernung von flüssigem Wasser (beispielsweise aus Strömungskanälen) erfordert oftmals lange Spüldauern, so dass der Prozess zur Feuchteentfernung von der PEM ein unerwünschtes Austrocknen der PEM auf ein Niveau unterhalb des gewünschten Hydratationsniveaus zur Folge hat. Eine typische PEM besitzt einen Hydratationsindex (λ) von etwa Neun. Der Hydratationsindex ist als die Molzahl von Wasser pro äquivalenter Sulfonsäuregruppe in der PEM definiert. Nach herkömmlichen Abschaltspülvorgängen kann die PEM einen Hydratationsindex unterhalb von 3,5 besitzen. Wenn der Hydratationsindex der PEM kleiner als Neun ist, tritt ein ohmscher (Spannungs-)Verlust in der Brennstoffzellenanordnung auf. Der ohmsche Verlust ist als ein Spannungsabfall definiert, der durch Widerstand gegenüber einem Innenfluss in der PEM und Widerstand gegenüber einem Elektronenfluss durch die Elektrode und die Bipolarplattenmaterialien erzeugt wird. Bei Inbetriebnahmevorgängen unter kalten oder gefrierenden Bedingungen kann ein Hydratationsindex von weniger als Neun einen erhöhten ohmschen (Spannungs-)Verlust in dem Brennstoffzellensystem zur Folge haben, wodurch die Aufwärm- und Wegfahrzeiten weiter erhöht werden.
  • Es soll ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems entwickelt werden, um einen Inbetriebnahmevorgang des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen zu optimieren, die ein Gefrieren von Wasser in dem Brennstoffzellensystem bewirken können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems entdeckt worden, um einen Inbetriebnahmevorgang des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen zu optimieren, die ein Gefrieren von Wasser in dem Brennstoffzellensystem zur Folge haben können.
  • Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufweist, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt; Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird; und das Brennstoffzellensystem nach der Abschaltspülung betrieben wird, um Produktwasser zu erzeugen, wobei das Produktwasser die Protonenaustauschmembran hydratisiert, um einem ohmschen Verlust über die Brennstoffzellenanordnungen während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufweist, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt; Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird; ein Strom in dem Brennstoffzellensystem mit einem Strombetrieb nach der Abschaltspülung erzeugt wird, um Produktwasser darin zu erzeugen, wobei das erzeugte Wasser die Protonenaustauschmembran hydratisiert, um einem ohmschen Verlust über die Brennstoffzellenanordnungen während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken; und ein Mittel zum Regeln des Stromflusses bereitgestellt wird, wobei der Strom in Ansprechen auf ein Signal des Hochfrequenzverhaltens (HFR bzw. "High Frequency Response") geregelt wird.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufweist, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt; Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird; ein Strom in dem Brennstoffzellensystem mit einem Strombetrieb nach der Abschaltspülung erzeugt wird, um Produktwasser darin zu erzeugen, wobei das erzeugte Wasser die Protonenaustauschmembran hydratisiert, um einem ohmschen Verlust über die Brennstoffzellenanordnungen während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken; und ein Mittel zum Regeln des Stromes bereitgestellt wird, wobei der Strom für eine gewünschte Dauer erzeugt wird, um eine gewünschte Menge an Produktwasser zu erzeugen und damit einen gewünschten Hydratationsindex (λ) der Protonenaustauschmembran zu erreichen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
  • 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels mit zwei Brennstoffzellenanordnungen gemäß dem Stand der Technik ist; und
  • 2 eine bruchstückhafte Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder kritisch.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 mit zwei Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik. Es sei jedoch zu verstehen, dass gegebenenfalls eine beliebige Anzahl von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellensystem 10 verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem 10 weist ein Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 12, 14 auf, die durch eine Bipolarplatte 16 getrennt sind. Die MEAs 12, 14 und die Bipolarplatte 16 sind zwischen Endplatten 18, 20 und Endkontaktelementen 22, 24 aneinander gestapelt. Die Bipolarplatte 16 und die Endkontaktelemente 22, 24 umfassen Arbeitsseiten 26, 28, 30 bzw. 32 zur Verteilung eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels (beispielsweise H2 bzw. O2) an die MEAs 12, 14. Nichtleitende Dichtungselemente 34 sehen Dichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 vor.
  • Die MEAs 12, 14 sind benachbart zu gaspermeablen leitenden Materialien angeordnet, die als Gasdiffusionsmedien (nicht gezeigt) bekannt sind. Die Gasdiffusionsmedien können Kohlenstoff- oder Graphit-Diffusionspapier umfassen. Wie hier beschrieben ist, sind die Gasdiffusionsmedien an die MEAs 12, 14 angehaftet bzw. geklebt. Die Endkontaktelemente 22, 24 sind benachbart den Diffusionsmedien der MEAs 12, 14 angeordnet. Die Bipolarplatte 16 ist benachbart dem Diffusionsmedium an einer Anodenseite der MEA 12 angeordnet und ist auch benachbart dem Gasdiffusionsmedium an einer Kathodenseite der MEA 14 angeordnet. Sauerstoff wird an die Kathodenseite 36 des Brennstoffzellensystems 10 von einer Sauerstoffquelle 38 beispielsweise über eine geeignete Lieferleitung 40 geliefert. Wasserstoff wird an die Anodenseite 42 der Brennstoffzelle von einer Wasserstoffquelle 44 beispielsweise über eine geeignete Lieferleitung 46 geliefert. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite als eine Sauerstoffquelle und Wasserstoff an die Anode von einem Methanol- oder Benzinreformer und dergleichen geliefert werden. Es sind auch Austragsleitungen (nicht gezeigt) für sowohl die Anodenseite 42 als auch die Kathodenseite 36 der MEAs 12, 14 vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 48, 50, 52 sind zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an die Bipolarplatte 16 und die Endplatten 18, 20 vorgesehen. Es sind auch geeignete Leitungen zum Austrag von Kühlmittel von der Bipolarplatte 16 und den Endplatten 18, 20 vorgesehen (nicht gezeigt).
  • Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist eine PEM-Brennstoffzellenanordnung 54 gezeigt. Die Brennstoffzellenanordnung 54 umfasst eine erste Bipolarplatte 56, eine zweite Bipolarplatte 58 und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 12. Die MEA 12 ist zwischen Diffusionsmedien 60 angeordnet.
  • Die MEA 12 umfasst eine Protonenaustauschmembran (PEM) 62, die zwischen zwei Katalysatorschichten 64 angeordnet ist. Die PEM 62 ist ein dünner Festpolymermembranelektrolyt, kann gegebenenfalls jedoch auch eine beliebige herkömmliche PEM 62 sein. Die Katalysatorschichten 64 sind aus Platin geformt, das bei der gezeigten Ausführungsform auf hochstrukturiertem Kohlenstoff geträgert ist, kann jedoch ein beliebiger herkömmlicher Katalysator sein, wie beispielsweise ein Platin-Ruthenium-Katalysator. Es sei zu verstehen, dass die MEA 12 eine mikroporöse Schicht (nicht gezeigt) zur verbesserten Stromdichte und zum verbesserten Wassermanagement in der Brennstoffzellenanordnung 54 aufweisen kann.
  • Die Diffusionsmedien 60 umfassen eine erste Seite 66 und eine zweite Seite 68. Eines der Diffusionsmedien 60 ist zwischen der MEA 12 und der ersten Bipolarplatte 56 angeordnet, und das andere der Diffusionsmedien 60 ist zwischen der MEA 12 und der zweiten Bipolarplatte 58 angeordnet.
  • Im Gebrauch wird Wasserstoff an das Endkontaktelement 24 und die Anodenseite 42 der Bipolarplatte 16 des Brennstoffzellensystems 10 von der Wasserstoffquelle 44 durch die Leitung 46 geliefert. Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an das Endkontaktelement 22 und die Kathodenseite 36 der Bipolarplatte 16 von der Sauerstoffquelle 38 durch die Leitung 40 geliefert. Alternativ dazu kann Umgebungsluft an die Kathodenseite 36 als ein Oxidationsmittel geliefert werden und Wasserstoff kann an die Anodenseite 42 von einem Methanol- oder Benzinreformer geliefert werden. Auf der Anodenseite 42 wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die gebildeten Protonen dringen durch die PEM 62 zu der Kathodenseite 36 hindurch. Die Elektronen fließen entlang einer externen Lastschaltung (nicht gezeigt) zu der Kathodenseite 36 der MEA 12, wodurch ein Stromausgang des Brennstoffzellensystems 10 erzeugt wird. Gleichzeitig wird der Sauerstoffstrom an die Kathodenseite 36 der MEA 12 geliefert. Auf der Kathodenseite 36 reagieren Sauerstoffmoleküle mit den durch die PEM 62 hindurchdringenden Protonen und den durch die externe Schaltung ankommenden Elektronen, um Produktwasser zu bilden. Das Wasser ist, wenn es Temperaturen unterhalb seines Gefrierpunkts ausgesetzt wird, anfällig gegenüber Gefrieren.
  • Während eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems 10 kann ein Spülvorgang ausgeführt werden, um Kanalwasser, Wasserpfropfen und restliches Wasser von der MEA 12 zu entfernen und der Eisbildung bei Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts bzw. frostigen Bedingungen entgegenzuwirken. Wenn die MEA 12 getrocknet ist, ist auch die PEM 62 getrocknet. Die PEM kann einen Hydratationsindex (λ) im Wesentlichen in der Nähe von 3,5 erreichen, wobei der Hydratationsindex als die Molzahl von Wasser pro äquivalenter Sulfonsäuregruppe (SO3-) in der PEM definiert ist. Wenn die Umgebungstemperatur –20 Grad Celsius beträgt und der Hydratationsindex bei oder oberhalb 9 liegt, wird die PEM 62 als ausreichend hydratisiert betrachtet. Es sei zu verstehen, dass bei Umgebungstemperaturen unter –20 Grad Celsius eine ausreichende Hydratation der PEM 62 durch einen niedrigeren Hydratationsindex (d. h. λ liegt bei oder oberhalb 6) angegeben wird und bei Umgebungstemperaturen oberhalb –20 Grad Celsius eine ausreichende Hydratation der PEM 62 durch einen höheren Hydratationsindex (d. h. λ liegt bei oder oberhalb 10) angegeben wird. Eine unzureichende Hydratation ist vorhanden, wenn der Hydratationsindex für die PEM 62 unter 9 liegt. Wenn die PEM 62 auf einem Hydratationsindex im Wesentlichen unter 9 getrocknet ist, können unerwünschte ohmsche (Spannungs-)Verluste auftreten. Die ohmschen Verluste können während eines Inbetriebnahmevorgangs bei Temperaturen nahe oder unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser zunehmen.
  • Um der unzureichenden Hydratation und den ohmschen Verlusten entgegenzuwirken, wird nach dem Spülvorgang in dem Brennstoffzellensystem 10 ein Strom erzeugt. Der Strom wird durch kurzes Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 erzeugt. Dieser kurze Betrieb ist als ein Strombetrieb bekannt. Der Strombetrieb wird ausgeführt, um eine gewünschte Menge an Produktwasser in dem Brennstoffzellensystem 10 zu erzeugen und damit die PEM 62 zu hydratisieren. Eine Hydratation der PEM 62 nach dem Spülvorgang wirkt ohmschen Verlusten während des Inbetriebnahmevorgangs entgegen. Die gewünschte Menge an Produktwasser ist eine Menge, die ausreichend ist, um die PEM 62 auf einen gewünschten Hydratationsindex zu hydratisieren, ohne Produktwasser bis zu einem Punkt hin zu erzeugen, an dem das Wasser in die Katalysatorschichten 64 überfließt. Günstige Ergebnisse sind erhalten worden, wenn der in dem Brennstoffzellensystem 10 erzeugte Strom eine Stromdichte bei oder unterhalb 0,12 A/cm2 besitzt, obwohl gegebenenfalls andere Stromdichten verwendet werden können. Wenn beispielsweise eine Stromdichte von 0,02 A/cm2 eine Dauer von 230 Sekunden erfordert, um die PEM 62 ausreichend zu hydratisieren, erfordert eine Stromdichte von 0,05 A/cm2 eine Dauer von 92 Sekunden, um die PEM 62 unter ähnlichen Bedingungen ausreichend zu hydratisieren. Wenn die Stromdichte gering ist, ist die Dauer des Strombetriebes langer, um die PEM 62 zu rehydratisieren. Wenn jedoch die Stromdichte zu hoch ist, absorbiert die PEM das Produktwasser nicht so schnell, wie das Wasser erzeugt wird, und das Wasser fließt in die Katalysatorschicht über, wodurch die durch die Spülung erreichten Vorteile zunichte gemacht werden. Die Stromdichte des Strombetriebes sollte nicht größer als eine Rate sein, mit der die PEM das Produktwasser absorbieren kann. Die Rate, mit der die PEM das Wasser absorbieren kann, ist von Charakteristiken der PEM abhängig, wie beispielsweise Äquivalentgewicht (EW), Katalysatorbeladung und Elektrodenzusammensetzung. Eine bestimmte Kombination von PEM-Charakteristiken wird bewertet, und die Stromdichte wird demgemäß eingestellt.
  • Eine Dauer des Strombetriebes kann geregelt werden, um die gewünschte Menge an Produktwasser zu erzeugen, wobei die Regelung des Stromes eine Erhöhung der Größe, eine Verringerung der Größe, eine konstante Größe und ein Stoppen des Stromflusses aufweisen kann. Die Dauer kann vorbestimmt sein oder die Dauer kann beispielsweise in Ansprechen auf ein Signal des Hochfrequenzverhaltens (HFR) geregelt werden. Wie in 2 gezeigt ist, ist das System 70 für Frequenzverhalten derart angepasst, um das HFR der Brennstoffzellenanordnung 54 zu messen. Das System für Frequenzverhalten der Offenbarung kann eine beliebige bekannte Vorrichtung sein, die zum Messen des HFR von Brennstoffzellensystemen oder Brennstoffzellenkomponenten geeignet ist, wie beispielsweise ein Analysator für Frequenzverhalten. Das HFR umfasst ein Messen der Änderungen der elektrischen Impedanz des Brennstoffzellensystems 10, wenn ein AC-Signal an die elektrische Last angelegt wird, um einen DC-Laststrom zu modulieren. Das AC-Signal wird typischerweise bei einer bestimmten Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz erzeugt. Es sei jedoch zu verstehen, dass das AC-Signal über einen Bereich von Frequenzen variiert werden kann. Die resultierende Größe und Phase des AC- Spannungs- und -Strom-Verhaltens werden durch das System 70 für Frequenzverhalten gemessen. Die Amplitude und Phasenbeziehung zwischen diesem Satz von Signalen erzielt eine breite Vielzahl analytischer Ergebnisse, wie beispielsweise eine Gesamtimpedanzgröße.
  • Das System 70 für Frequenzverhalten ist derart angepasst, um das HFR über zumindest eine der PEMs 62 des Brennstoffzellensystems 10 zu messen. Als ein nicht beschränkendes Beispiel steht das System 70 für Frequenzverhalten in unabhängiger elektrischer Verbindung mit einer oder mehreren der Brennstoffzellenanordnungen 54 des Brennstoffzellensystems 10. Das System 70 für Frequenzverhalten ist derart angepasst, um das HFR über zumindest einen Anteil des gesamten Brennstoffzellensystems 70 zu messen. Wie gezeigt, ist das System 70 für Frequenzverhalten in elektrischer Kommunikation mit den Katalysatorschichten 64 gezeigt. Ein Fachmann kann erkennen, dass gegebenenfalls andere Konfigurationen des Systems 70 für Frequenzverhalten zum Messen des HFR des Brennstoffzellensystems 10 gewählt werden können.
  • Wenn die Dauer des während des Strombetriebs erzeugten Stroms vorbestimmt ist, wird der Strom für die Dauer des Strombetriebes erzeugt, um die PEM 62 auf den gewünschten Hydratationsindex zu hydratisieren. Wenn beispielsweise der Hydratationsindex der PEM 62 bei 3,5 liegt und die Stromdichte während des Strombetriebes 0,02 A/cm2 beträgt, der 230 Sekunden andauert, hydratisiert die PEM 62 die PEM 62 für 230 Sekunden, bevor der Strombetrieb stoppt. Es sei zu verstehen, dass die Dauer des Stromes durch ein beliebiges herkömmliches Mittel geregelt werden kann, wie beispielsweise einen manuellen Betrieb oder einen Controller.
  • Wenn die Dauer des Stroms in Ansprechen auf ein Signal des Hochfrequenzverhaltens (HFR) geregelt wird, werden Änderungen der elektrischen Impedanz des Brennstoffzellensystems 10 gemessen, wenn ein AC-Signal an die elektrische Last angelegt wird, um einen DC-Laststrom zu modulieren. Das HFR-Signal wird durch das System 70 für Frequenzverhalten gemessen und durch einen Operator analysiert. Wenn die Hydratation der PEM 62 zunimmt, nimmt der HFR-Wert ab. Die Dauer des Stroms während des Strombetriebs wird so lange verlängert, bis eine gewünschte Änderung des HFR-Werts erreicht ist, die angibt, dass die PEM 62 einen Hydratationsindex im Wesentlichen in der Nähe von 9 oder die gewünschte Hydratation erreicht hat. Es sei zu verstehen, dass das System 70 für Frequenzverhalten einen Controller aufweisen kann, der derart angepasst ist, um den Strom in Ansprechen auf das HFR-Signal zu regeln. Durch Hydratation der PEM 62 auf einen Hydratationsindex im Wesentlichen in der Nähe von 9 sind ohmsche Verluste in dem Brennstoffzellensystem 10, die während eines Inbetriebnahmevorgangs insbesondere bei kalten oder gefrierenden Bedingungen auftreten, minimiert. Demgemäß ist eine Leistungserzeugung maximiert, und eine Aufwärmzeit und eine Zeit zum Erreichen von Wegfahrleistung sind minimiert.
  • Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und ohne Abweichung von deren Erfindungsgedanken und Schutzumfang verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufweist, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt; Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird; und das Brennstoffzellensystem nach der Abschaltspülung betrieben wird, um Produktwasser zu erzeugen, wobei das Produktwasser die Protonenaustauschmembran hydratisiert, um einem ohmschen Verlust über die Brennstoffzellenanordnungen während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, dass ein Hydratationsindex verwendet wird, um eine Hydratation der Protonenaustauschmembran zu messen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Strom so lange erzeugt wird, bis ein gewünschter Hydratationsindex der Protonenaustauschmembran gemessen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der gewünschte Hydratationsindex bei einer Temperatur von –20 Grad Celsius etwa 9 beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erzeugte Strom eine Stromdichte von weniger als 0,12 A/cm2 besitzt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der während des Strombetriebs erzeugte Strom eine Stromdichte im Bereich von 0,02 A/cm2 bis 0,05 A/cm2 besitzt.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strom für eine vorbestimmte Dauer erzeugt wird, um eine gewünschte Menge an Produktwasser zu erzeugen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erzeugte Strom in Ansprechen auf ein Signal des Hochfrequenzverhaltens (HFR) geregelt wird, das die Hydratation der Protonenaustauschmembran angibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Strom so lange erzeugt wird, bis ein gewünschtes HFR-Signal, das die Hydratation der Protonenaustauschmembran angibt, erreicht ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, mit den Schritten, dass: ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufweist, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt; Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird; ein Strom in dem Brennstoffzellensystem mit einem Strombetrieb nach der Abschaltspülung erzeugt wird, um Produktwasser darin zu erzeugen, wobei das erzeugte Wasser die Protonenaustauschmemb ran hydratisiert, um einem ohmschen Verlust über die Brennstoffzellenanordnungen während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken; und ein Mittel zum Regeln des Stromflusses bereitgestellt wird, wobei der Strom in Ansprechen auf ein Signal des Hochfrequenzverhaltens (HFR) geregelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit dem Schritt, dass ein Hydratationsindex verwendet wird, um die Hydratation der Protonenaustauschmembran zu messen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Strom so lange erzeugt wird, bis ein gewünschter Hydratationsindex der Protonenaustauschmembran gemessen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der gewünschte Hydratationsindex bei einer Temperatur von –20 Grad Celsius etwa 9 beträgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erzeugte Strom eine Stromdichte von weniger als 0,12 A/cm2 besitzt.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erzeugte Strom eine Stromdichte im Bereich von 0,02 A/cm2 bis 0,05 A/cm2 besitzt.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Strom für eine gewünschte Dauer erzeugt wird, um ein HFR-Signal, das die Hydratation der Brennstoffzellenmembran angibt, zu erzeugen.
  17. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, mit den Schritten, dass: ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, der eine Vielzahl von Brennstoffzellenanordnungen aufweist, wobei jede Brennstoffzellenanordnung eine zwischen mehreren Brennstoffzellenplatten angeordnete Protonenaustauschmembran besitzt; Wasser von dem Brennstoffzellensystem während eines Abschaltvorgangs gespült wird; ein Strom in dem Brennstoffzellensystem mit einem Strombetrieb nach der Abschaltspülung erzeugt wird, um Produktwasser darin zu erzeugen, wobei das erzeugte Wasser die Protonenaustauschmembran hydratisiert, um einem ohmschen Verlust über die Brennstoffzellenanordnungen während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken; und ein Mittel zum Regeln des Stromes bereitgestellt wird, wobei der Strom für eine gewünschte Dauer erzeugt wird, um eine gewünschte Menge an Produktwasser zu erzeugen und damit einen gewünschten Hydratationsindex (λ) der Protonenaustauschmembran zu erreichen.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit dem Schritt, dass ein Hydratationsindex verwendet wird, um die Hydratation der Protonenaustauschmembran zu messen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Strom so lange erzeugt wird, bis ein gewünschter Hydratationsindex der Protonenaustauschmembran gemessen wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der gewünschte Hydratationsindex bei einer Temperatur von –20 Grad Celsius etwa 9 beträgt.
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