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GEBIET DER ERFINDUNG
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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.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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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:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels
mit zwei Brennstoffzellenanordnungen gemäß dem Stand der Technik ist;
und
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2 eine
bruchstückhafte
Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.