DE102011010482A1 - Gefrierstartbetrieb in einer Brennstoffzelle mit einer blockierten Anodenzelle - Google Patents

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Abstract

Es sind Verfahren zum Start eines Brennstoffzellensystems vorgesehen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass Wasserstoff an einen Einlass einer Anode der Brennstoffzelle geliefert wird, wobei die Anode auf einen Druck druckbeaufschlagt wird; bestimmt wird, ob ein blockierter Zellenzustand existiert; wenn ein blockierter Zellenzustand existiert, wenn kein blockierter Zellenzustand existiert, eine normale Startabfolge ausgelöst wird, wobei alternativ der Druck der Anode reduziert und der Druck der Anode erhöht wird, bis ein Austrittszustand existiert, wobei der Austrittszustand derart gewählt ist, dass eine Spannung der Brennstoffzelle stabil ist oder eine Temperatur der Brennstoffzelle größer als etwa 0°C ist, oder beides, und wenn der Austrittszustand existiert, die normale Startabfolge ausgelöst wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • Diese Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere Verfahren zur Inbetriebnahme von Brennstoffzellensystemen unter gefrorenen Bedingungen mit eine Anodenzelle blockierendem Eis.
  • Das Starten eines Brennstoffzellensystems für Kraftfahrzeuganwendungen betrifft ein Gleichgewicht zwischen Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Zeit bis zu einer akzeptablen Abfahrt (Startlänge). Die Zuverlässigkeit betrifft, dass sichergestellt wird, dass ausreichend Reaktand über die gesamte aktive Fläche auf beiden Seiten der Membran vorhanden ist, so dass ein vollständiger Strom unterstützt werden kann. Dies muss gemacht werden, ohne die Wasserstoffemissionsanforderungen zu überschreiten. Faktoren, wie Ausstattungsausgestaltung, Ausstattungszuverlässigkeit oder verschiedene Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, Druck und Feuchte, beeinflussen ebenfalls die Strategie, die dazu verwendet wird, ein Brennstoffzellensystem erfolgreich zu starten.
  • Unter Gefrierstartbedingungen ist oder wird eine Zelle manchmal mit Eis blockiert. Wenn die Anode blockiert ist, geht die Zelle sogar bei geringer Leistung nach Verbrauch des gesamten Wasserstoffs in der Zelle zu negativen Spannungen. Eine weitere Angabe einer Zellenblockade besteht darin, dass, sogar nachdem die Last entfernt ist, es eine lange Zeitdauer benötigt, um zurück zu der Leerlaufspannung (OCV von Engl.: ”Open Circuit Voltage”) zu gelangen, so dass eine Interpretation darin besteht, dass eine Diffusion (oder ein sehr geringer Austritt) erforderlich ist, damit Wasserstoff zurück in die Zelle gelangt.
  • Daher besteht ein Bedarf nach einem zuverlässigen Inbetriebnahmeverfahren unter Gefrierbedingungen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf. Es sind Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems vorgesehen. Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass Wasserstoff an einen Einlass einer Anode der Brennstoffzelle geliefert wird, wobei die Anode auf einen Druck druckbeaufschlagt wird; bestimmt wird, ob ein blockierter Zellenzustand existiert; wenn kein blockierter Zellenzustand existiert, eine normale Startabfolge ausgelöst wird; wenn ein blockierter Zellenzustand existiert, abwechselnd der Druck der Anode reduziert und der Druck der Anode erhöht wird, bis ein Austrittszustand vorhanden ist, wobei der Austrittszustand daraus gewählt ist, dass eine Spannung der Brennstoffzelle stabil ist oder eine Temperatur der Brennstoffzelle größer als etwa 0°C ist oder beides, und wenn der Austrittszustand existiert, die normale Startabfolge ausgelöst wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Startverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems.
  • 3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform, die das Startverfahren der vorliegenden Erfindung implementiert.
  • 4A–E sind eine Darstellung einer Ausführungsform des Startverfahrens der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist ein Verfahren für eine Inbetriebnahmevorgehensweise in einem Zustand mit blockierter Anode vorgesehen, das fehlerhafte Starts reduziert oder verhindert. Das Verfahren ermöglicht einen verbesserten Wirkungsgrad mit weniger oder kürzeren Gefriervorbereitungsspülungen. Dies resultiert in einer aggressiveren Gefriervorhersage, die aufgrund des Abhilfestartverfahrens unter Verwendung eines Anodendruckwechsels bzw. -zyklusverlaufs zulässig ist. Eine Gefriervorbereitungsspülung ist erforderlich, um den Stapel für zuverlässige Gefrierstarts auszutrocknen, jedoch erfordert die Spülung signifikante Betriebszeit und -energie. Wenn Gefrierbedingungen (beispielsweise auf Grundlage einer Wettervorhersage oder gegenwärtiger Temperaturen) nicht vorhergesagt werden, kann die Gefriervorbereitungsspülung ausgesetzt oder reduziert werden, wodurch Energie eingespart wird. Jedoch muss die Gefriervorhersage in Abwesenheit eines Abhilfestartverfahrens konservativ sein, da ein nicht vorhergesagter Gefrierzustand, der zu einem fehlerhaften Start führt, eine nicht akzeptable Unbequemlichkeit für den Kunden darstellt.
  • Das Startverfahren kann potentiell Kosten reduzieren, indem die Beseitigung der Zellenspannungsüberwachung ermöglicht wird. Wenn eine Zellenumkehr stattfindet, muss die Last abgekoppelt werden, da eine große negative Spannung über die Membran schnell zu elektrischen Kurzschlüssen führt, was die Membran schädigen und sogar Platten schmelzen kann. Eine Zellenspannungsüberwachung wird dazu verwendet, diese Situation zu detektieren, um die Last zum Schutz des Stapels zu reduzieren oder abzukoppeln. Ein richtiger Anodenbetrieb kann diese Verarmungssituation mit Ausnahme des Zustandes einer Zellenblockade beispielsweise mit Eis vermeiden. Gegebenenfalls kann dieser Druckwechselmodus für alle Gefrierstarts verwendet werden, bis sich der Stapel oberhalb des Gefrierens befindet, um diesen Fehlermodus zu vermeiden. Dies kann potentiell die Beseitigung der Zellenspannungsüberwachung ermöglichen, was zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führt.
  • Das Verfahren verwendet Gaskompressions/-dekompressionszyklen, um Wasserstoff in eine Zelle mit einer blockierten Anode zu treiben und Inertgas von der Zelle zu entfernen, um einen beschränkten Betrieb zu ermöglichen. Gegebenenfalls kann ein Anodenablass dazu verwendet werden, die Dekompressionszeit zu reduzieren. Während des Dekompressionszyklus oder des Kompressionszyklus oder beiden können die Stapellasten reduziert oder abgekoppelt werden. Wenn die Stapellast abgekoppelt ist, kann die Kompressorströmung reduziert werden. Die Temperatur und Spannung können allein oder in Kombination verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Druckwechselmodus anzuwenden ist. Beispielsweise kann er bei Detektion einer verarmten Zelle ausgelöst werden, wie durch eine negative Zellenspannung, wenn eine Zellenspannungsüberwachung verfügbar ist, und kann beendet werden, wenn die Zellenspannung rückgewonnen ist. Er kann unter kalten Stapelbedingungen verwendet werden, und er kann zum normalen Betrieb beendet werden, wenn sich die Stapeltemperatur oberhalb des Gefrierpunktes befindet.
  • Während der Inbetriebnahme wird die Anode mit Wasserstoffdruck beaufschlagt, was das Gas anfänglich in den Anodenvolumen und den zugesetzten Wasserstoff in alle der Zellen, sogar blockierte, komprimiert. Wenn jedoch das stromaufwärtige Volumen des Nicht-Wasserstoffgases groß ist, kann der zugesetzte Wasserstoff die aktive Fläche einer blockierten Zelle nicht erreichen. Aufgrund dessen ist es erwünscht, das stromaufwärtige Volumen (zwischen der Wasserstoffinjektion und der aktiven Stapelfläche) relativ klein zu halten. Da Strom von dem Stapel gezogen wird, wird der Wasserstoff verbraucht, was nur Stickstoff in der blockierten Zelle zurücklässt, und die blockierten Zellen schalten ab (beispielsweise gehen zu negativen Zellenspannungen, da Strom durch die verbleibenden Zellen mit Wasserstoff getrieben wird). Die Füllung mit Stickstoff geschieht wesentlich schneller, wenn eine rückgeführte Anodenströmung mit Stickstoffverdünnung in dem Zufuhrstrom vorhanden ist. Eine Schätzung von 200 A-s für eine Druckzunahme von 1 bar mit einer Stickstoffverdünnung von 20% können vor einem Verbrauch des gesamten Wasserstoffs in einer blockierten Zelle erwartet werden.
  • Die zusätzlichen Mole (nicht einschließlich des stromaufwärtigen Gases, das in die Zelle komprimiert wird und keinen Wasserstoff enthalten braucht), Nfill zur Füllung einer Anodenzelle auf den neuen Druck wird geschätzt als: Nfill = P2(Vcell – (Vup + Vcell)P1/P2)/(RT) wobei
    • P1
    (kPa) der Anfangsdruck ist
    P2
    (kPa) der Enddruck ist
    T
    (K) die Temperatur ist
    Vup
    (L) das stromaufwärtige Anodenvolumen pro Zelle (zwischen dem Wasserstoffinjektor und der aktiven Fläche) ist
    Vcell
    (L) das Anodenvolumen der aktiven Fläche pro Zelle ist
    R
    (8,314 kPa L/(Mol-K)) die universale Gaskonstante ist.
  • Um die Mole an Wasserstoff, die in eine blockierte Anode komprimiert werden, zu erhöhen, ist es erwünscht, den Enddruck so groß wie durch das System zulässig zu machen. Dieses Füllgas wird schließlich Stickstoff, da der Wasserstoff in der aktiven Fläche verbraucht wird. Für ein Anodenrückführsystem (wie eine Strahlpumpe) kann das Rückführgas als inerter Stickstoff betrachtet werden. Abhängig von der Systemfähigkeit hilft die Reduzierung des Rückführverhältnisses (rückgeführtes Gas zu frischem Wasserstoff) oder das Absenken des Inertgas-Molanteils des Rückführgases (wie durch Ablassen während des Starts), den Wasserstoff zu erhöhen, der an eine blockierte Zelle geliefert und von dieser verwendet werden kann. Unter Verwendung eines feststehenden Verhältnisses von inerter zu gesamter Anodeneinlassströmung XN2 ist die Menge an Wasserstoff NH2, die mit dieser Menge an Inertgas geliefert wird: NH2 = (1 – XN2)/XN2Nfill
  • Dies kann unter Verwendung der Faradayschen Konstante F (96,487 A-s/e-Mol) in Ladung umgewandelt werden: Ladung (A-s) = NH22F
  • Für einen Druckanstieg von 101,3 auf 202,6 kPa bei 273 K, wobei die stromaufwärtigen und Zellenvolumen 0,002 bzw. 0,008 L betragen, sind 0,00026 hinzugefügte Mol erforderlich, um die Zelle zu füllen. Für einen Inertgasanteil von 0,2 werden 0,001 Mol Wasserstoff verbraucht, was eine Ladung von etwa 200 A-s bereitstellen würde, bevor dieser Wasserstoff verbraucht ist und sich die Zelle aufgrund dessen umkehrt, dass der Strom durch die anderen Zellen in dem Stapel getrieben wird.
  • Um eine blockierte Zelle wiederzubeleben, wird der Anodendruck rapide reduziert, um eine Entladung durch Dekompression des Stickstoff- (oder anderen Nicht-Wasserstoff-)Gases zurück aus dem Zelleneinlass zu ermöglichen. Um die Mol an ausgetragenem Gas mit jedem Druckzyklus zu maximieren, sollte der Druckzyklus so groß wie möglich sein. Der maximale Druck wird durch die mechanische Integrität der Anode und der minimale Druck durch die Fähigkeit zum Austrag von Gas beschränkt. Das ausgetragene Gas strömt dann aus den offenen Zellen.
  • Bei normaler Drucksteuerung der Anode eines Brennstoffzellensystems folgt der Anodendruck dem Leistungspegel (oder Kathodendruck) des Stapels mit höheren Drücken bei höheren Leistungsniveaus. Jedoch wird in dem Abhilfegefrierstartbetrieb, bei dem Wasserstoff in eine blockierte Zelle komprimiert und Stickstoff von dieser dekomprimiert wird, der Anodendruck schnell auf das maximale Niveau angehoben und so schnell wie möglich und nicht in Verbindung mit dem Leistungspegel auf das geringste Niveau entladen. In diesem Abhilfegefrierstartbetrieb wird die Stapellast möglicherweise reduziert oder abgekoppelt (um eine Zellenumkehr zu vermeiden), insbesondere, wenn der Druck reduziert ist.
  • Große Druckverhältnisse sind erwünscht, um die Zelle mit Wasserstoff vollständiger zu fühlen oder Stickstoff von der Zelle auszutragen. Ein typischer Druckzyklusbereich kann bis zu etwa 200 kPa oder etwa 300 kPa und herunter bis zu etwa 110 kPa oder etwa 150 kPa erreichen, was typisch für die im normalen Betrieb verwendeten Drücke ist. Jedoch wird in dem Abhilfegefrierstartbetrieb der Druckwechsel allgemein so schnell, wie es das System zulässt, durchgeführt. Der Druck wird allgemein in weniger als etwa 5 Sekunden oder weniger als etwa 2 Sekunden und bevorzugt etwa 0,5 Sekunden erhöht. Diese Zeitdauer ist nur durch die Injektorströmungsfähigkeit und das Volumen der Anode beschränkt. Die Drucksenkung erfordert allgemein mehr Zeit, da die Austragsventile typischerweise für ihre normale Funktion zum Erwärmen und Ablassen von Wasserstoff zu der Kathode (von engl.: ”hydrogen to cathode heating and bleed”) bemessen sind. Eine Zeitdauer von weniger als etwa 10 Sekunden oder weniger als etwa 7 Sekunden oder weniger als etwa 5 Sekunden oder so wenig wie etwa 2 Sekunden ist für eine Zeit zur Verringerung des Anodendrucks geeignet. Der Druckwechsel wird in Ansprechen auf einen blockierten Zellenzustand gemacht, wie eine geringe Zellenspannung oder Bedingungen mit gefrorenem Stapel. Sobald eine Zelle mit Wasserstoff rekomprimiert ist, kann die Menge an Stromentnahme auf Grundlage der bereitgestellten Gleichungen bestimmt werden. D. h. es ist kein weiterer Druckzyklus (Verringerung und Erhöhung) erforderlich, solange die zulässigen Coulomb der gefüllten Zelle verbraucht worden sind.
  • Die Dekompression kann durch Verringern des Anodendruck-Sollwerts und/oder durch Fortsetzens des Ablassens an die Kathode oder Öffnen des Durchspülventils erreicht werden, um beispielsweise unter Verwendung der Ablassventile 50 und 52 oder des Spülventils 66 in dem in 1 gezeigten System schneller fortzufahren. Bei einigen Systemen kann zur Reduzierung der Anzahl von Ventilen ein Ventil sowohl Ablassen (Austragen von überschüssigem N2 während des normalen Betriebs, typischerweise ein geringer Durchfluss) und Durchspülen (Austrag eines größeren Durchflusses typischerweise zum Start) ausführen. Das Lenken dieser Strömung an den Kathodeneinlass erlaubt die Beseitigung eines der Kathode Wasserstoff zuführenden Ventils. Die Injektion von Wasserstoff zu der Kathode stellt eine Erwärmung der Brennstoffzelle durch die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Luft an den Brennstoffzellenkatalysatoren bereit.
  • Der Druck kann durch Öffnen eines Anodenaustragsventils, wie einem Anodenablassventil oder einem Anodendurchspülventil, verringert werden, was an den Kathodeneinlass zur katalytischen Erwärmung geführt werden kann.
  • Während der Dekompression wird die Fähigkeit der Zelle zum Unterstützen einer Last weiter reduziert. Gegebenenfalls kann die Last während der Dekompression abgekoppelt werden. Alternativ dazu kann die Last für die Dauer des Rückgewinnungsprozesses (während der Dekompression und Kompression) abgekoppelt werden.
  • Die Rekompression bringt Wasserstoff zurück in die blockierte Zelle. Der Druck kann durch Öffnen des Wasserstoffversorgungsventils, typischerweise eines Injektors, erhöht werden. Dies kann durch Erhöhen des Drucksollwertes erreicht werden, was zu einem Ansprechen der Injektorsteuerung, um den gewünschten Druck zu erfüllen, führt.
  • Der Dekompressions/Rekompressionszyklus wird so lange wiederholt, bis die blockierte Zelle gereinigt ist. Die Zelle wird allgemein durch Auftauen durch warmes Kühlmittel gereinigt.
  • Die Reihenfolge der Dekompression und Kompression spielt keine Rolle. Eine zuerst erfolgende Erhöhung des Druckes stellt mehr Wasserstoff in der blockierten Zelle bereit, um einen fortgesetzten Betrieb zu ermöglichen. Dies kann einen fortgesetzten Betrieb so lange ermöglichen, bis die Blockade aufgetaut ist, oder zumindest die Zeit verzögern, wenn die Last abgekoppelt worden ist, wenn der Druck verringert ist.
  • Das Verfahren ist in 1 gezeigt. Der Startprozess wird bei Block 200 eingeleitet. Das System bestimmt bei Entscheidungsblock 205, ob ein blockierter Zustand existiert. Wenn kein blockierter Zustand existiert, fährt das System bei Block 210 mit der normalen Startroutine fort. Wenn blockierte Zustände vorhanden sind, fährt das System bei Block 215 mit dem Dekompressions/Rekompressionswechsel fort. Das System kehrt dann zu Block 205 zurück, um zu bestimmen, ob der blockierte Zustand immer noch vorhanden ist. Wenn nicht, wird bei Block 210 die normale Startroutine begonnen. Wenn der blockierte Zustand immer noch vorhanden ist, kehrt das System bei Block 215 zu der Dekompression/Rekompression zurück. Dieser Prozess wird so lange wiederholt, bis der blockierte Zustand gereinigt ist. Das System kann eingestellt werden, um einen einzelnen Dekompressions/Rekompressionszyklus vor Rückkehr auszuführen, um zu bestimmen, ob der blockierte Zustand anhält oder existiert, und es kann nach Bedarf mehr als ein Dekompressions/Rekompressionszyklus vor Rückkehr ausgeführt werden. 2 zeigt ein vereinfachtes Brennstoffzellensystem 10 mit den Komponenten, die notwendig sind, um die vorliegende Erfindung zu implementieren, um einen Stapel 12 mit einer blockierten Anodenzelle zu starten. Ein Kompressor 20 liefert Kathodeneingangsluft auf einer Kathodeneingangsleitung 26 an den Stapel 12. Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf einer Kathodenausgangsleitung 28 ausgegeben. Typischerweise ist eine Kathodenbefeuchtungseinheit (nicht gezeigt) an einer geeigneten Stelle in der Kathodeneingangsleitung 26 vorgesehen. Ein Injektor 46 injiziert Wasserstoffgas von einer Wasserstoffversorgungsleitung 42 von einer Wasserstoffgasquelle 40 zu der Anodenversorgungsleitung 50 des Stapels 12. Anodenabgas von dem Stapel 12 wird durch die Anodenausgangsleitung 52 bereitgestellt. Um überschüssiges Gas von der Anode auszutragen, wie Stickstoff, der die Membranen in dem Stapel durchquert hat, oder Luft, die in den Stapel eingetreten ist, während das Brennstoffzellensystem abgeschaltet ist, ist eine Austragsleitung 60 mit einem normalerweise geschlossenen Ventil 62 vorgesehen. Die Austragsleitung 60 kann an die Kathodeneingangsleitung 26 austragen, oder die Austragsleitung 60' kann an die Kathodenausgangsleitung 28 geführt sein. Der Injektor 46 wird dazu verwendet, die Lieferung von Wasserstoff zu und Anodendruck in dem Stapel 12 zu steuern, und das Austragsventil 62 wird dazu verwendet, Anodengas auszutragen und eine Verringerung des Anodendrucks zu ermöglichen.
  • Bei Abschaltung wird der Kompressor 20 gestoppt, um die Luftströmung zu unterbrechen. Der Wasserstoffdruck wird in dem Stapel 12 durch Betrieb des Injektors 46 aufrechterhalten, um bevorzugt Sauerstoff in dem Stapel zur Abschaltung zu verbrauchen. Das Anodenventil bleibt während der Abschaltzeit geschlossen. Zur Inbetriebnahme liefert der Injektor 46 Wasserstoff an den Stapel 12, und das Austragsventil 62 wird geöffnet, um einen Austrag von Nicht-Wasserstoffgas von der Anode des Stapels 12 zu ermöglichen. Durch Lenken des Anodenaustrags 60 an die Kathodeneinlassleitung 26 stellt der von der Anode ausgetragene Wasserstoff eine Erwärmung in dem Stapel 12 durch katalytische Reaktion mit Luft an dem Kathodenkatalysator bereit, was einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems 10 unterstützt. Die Menge an Wasserstoff, die bei Inbetriebnahme zur Spülung des Stapels 12 erforderlich ist, kann auf Grundlage des Volumens der Anodenseite des Stapels 12, der Temperatur des Stapels 12 und des Drucks in dem Stapel 12 berechnet werden. Die Wasserstoffströmung in den Stapel 12 sollte grob ein Anodenvolumen betragen. Wenn eine unzureichende Menge an Wasserstoff in den Stapel oder eine Zelle strömt, können einige der Brennstoffzellen zurückbleiben, die eine H2/O2-Front aufweisen. Das Schleifenvolumen für den Stapel 12 wird berechnet, und diese Information wird mit dem Wasserstoffdurchfluss während der Inbetriebnahme kombiniert, um die Spülzeit zu bestimmen.
  • Die meisten Brennstoffzellensysteme besitzen zusätzliche Komponenten zur Erfüllung zusätzlicher funktioneller Anforderungen, wie durch das Brennstoffzellensystem 110 in 3 gezeigt ist, bei dem ähnliche Teile mit 1xx bezeichnet sind. Ein Kompressor 120 liefert Kathodeneingangsluft auf einer Kathodeneingangsleitung 126 an den Stapel 112 nach Durchgang durch einen Ladeluftkühler 22 zur Steuerung der Lufttemperatur und eine Wasserdampfübertragungseinheit 24 zur Befeuchtung der Luft vor Eintritt in den Stapel 112. Kathodenabgas wird von dem Stapel 112 auf einer Kathodenausgangsleitung 128 ausgegeben. Das Kathodenabgas stellt einen feuchten Strom für die Wasserdampfübertragungseinheit 124 bereit. Ein normalerweise geschlossenes Gegendruckventil 130 wird zur Steuerung des Kathodendrucks verwendet. Für eine Kompressordruckstoßsteuerung wie auch Startverdünnung wird eine Kathodenbypassleitung 132 mit normalerweise offenem Bypassventil 134 verwendet. Ein Injektor 146 injiziert Wasserstoffgas von einer Wasserstofflieferleitung 142 von einer Wasserstoffgasquelle 140 an die Anodenlieferleitung 150 des Stapels 112. Die Wasserstofflieferleitung 142 besitzt typischerweise ein Isolationsventil 144, um eine positive Abschaltung der Wasserstofflieferung 140 sicherzustellen. Für einen stabilen Betrieb des Stapels 112 ist eine zusätzliche Wasserstoffströmung erwünscht, die ohne Überschuss durch Rückführung des Anodengases bereitgestellt werden kann. Eine Strahlpumpe 148, die durch den Hochdruck-Lieferwasserstoff angetrieben wird, stellt ein kostengünstiges Mittel zur Bereitstellung dieser Anodenrückführung bereit. Anodenabgas von dem Stapel 112 wird durch die Anodenausgangsleitung 152 bereitgestellt. Um überschüssiges Gas von der Anode auszutragen, wie Stickstoff, der die Membranen in dem Stapel durchquert hat, oder Luft, die in den Stapel eingetreten ist, während das Brennstoffzellensystem aus war, ist eine Austragsleitung 160 mit einem normalerweise geschlossenen Ventil 162 vorgesehen. Die Austragsleitung 160 trägt an die Kathodeneingangsleitung 126 aus, um Wasserstoff für die Kathode zur katalytischen Erwärmung des Stapels 112 für Kaltstarts bereitzustellen. Der Anodenauslassstrom kann flüssiges Wasser enthalten, das von der Gasströmung in dem Abscheider 154 abgeschieden ist. Das gesammelte Wasser wird von dem Abscheider 154 durch die Ablassleitung 158 an den Austrag durch Öffnen des normalerweise geschlossenen Ablassventils 158 abgelassen. Das Gas in der Anodenausgangsleitung 152 wird zurück zu der Strahlpumpe 148 zur Rückführung durch den Stapel 112 geführt. Der Injektor 146 wird dazu verwendet, die Lieferung von Wasserstoff zu und Anodendruck in den Stapel 112 zu steuern. Das Austragsventil 162 wird dazu verwendet, Anodengas auszutragen und eine Verringerung des Anodendrucks zu ermöglichen. Um die Temperatur des Stapels 112 zu steuern, wird ein Kühlmittelsystem verwendet, das eine Kühlmitteleinlassleitung 172 aufweist, die an einen Kühler an einer Kühlmittelauslassleitung 174 austrägt. Die Kühlmittelströmung wird durch eine Kühlmittelpumpe 170 angetrieben, und ein 3-Wege-Ventil 176 zwischen dem Kühlmitteleinlass 172 und der Auslassleitung 174 wird dazu verwendet, die Temperatur des Kühlmittels zu regulieren. Die elektrische Leistung von dem Stapel 112 kann zum Betrieb verbunden oder für Perioden eines Nicht-Gebrauchs mit Schützen 180 getrennt werden. Eine DC/DC-Verstärkung 182 wird dazu verwendet, die Spannung von dem Stapel 112 auf ein Niveau anzuheben, das durch das Traktionssystem erforderlich ist. Es sind viele andere Systemausführungsformen möglich.
  • Während des normalen Betriebs erzeugt der Stapel 112 Strom, der dazu verwendet wird, Systemlasten anzutreiben. Es ist notwendig, die Anodenseite des Stapels 112 periodisch abzulassen, um Stickstoff zu entfernen, der ansonsten den Wasserstoff verdünnen und die Zellenleistungsfähigkeit beeinträchtigen kann. Zu diesem Zweck ist ein normalerweise geschlossenes Ablassventil 162 vorgesehen. Wenn ein Anodenablass angewiesen ist, wird das Ablassventil 162 geöffnet, und das abgelassene Anodenabgas wird an die Kathodeneinlassleitung 126 geliefert.
  • Bei Abschaltung wird der Kompressor 120 gestoppt, um die Luftströmung zu unterbrechen. Der Strom zum Entladen des Stapels 112 kann dazu verwendet werden, eine Batterie in dem System zu laden, oder kann in einen Widerstand dissipiert werden. Ein Wasserstoffdruck wird in dem Stapel 112 durch Betrieb des Injektors 146 aufrechterhalten, um bevorzugt Sauerstoff in dem Stapel zur Abschaltung zu verbrauchen. Sobald der Sauerstoff von dem Stapel 112 verbraucht worden ist, wird die Wasserstoffströmung abgeschaltet, und das Austragsventil 162 wird geschlossen, um die Anodenseite des Stapels 112 abzudichten. Wenn das System 110 auf diese Art und Weise abgeschaltet ist, weist der Stapel 112 ein N2/H2-Gemisch sowohl in der Kathodenseite als auch der Anodenseite auf. Mit der Zeit leckt Luft in den Stapel 112, und der Wasserstoff in dem Stapel 112 verbraucht anfänglich den Sauerstoff. Zusätzlich leckt der Wasserstoff langsam aus dem Stapel 112. Infolgedessen variiert die Zusammensetzung der Gase in dem Stapel 112 über die Zeit zwischen einem wasserstoffreichen Gemisch in Stickstoff und Wasser zu einem Luftgemisch. Das Anodenaustragsventil 162 bleibt während der Abschaltzeit geschlossen.
  • Zur Inbetriebnahme liefert der Injektor 146 Wasserstoff an den Stapel 112, und das Austragsventil 162 ist geöffnet, um einen Austrag von Nicht-Wasserstoffgas von der Anode des Stapels 112 zu ermöglichen. Durch Lenken des Anodenaustrags 160 an die Kathodeneinlassleitung 126 stellt von der Anode ausgetragener Wasserstoff eine Erwärmung innerhalb des Stapels 112 durch katalytische Reaktion mit Luft an dem Kathodenkatalysator bereit, um einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems 110 zu unterstützen. Die Menge an Wasserstoff, die bei Inbetriebnahme zur Spülung des Stapels 112 erforderlich ist, kann auf Grundlage des Volumens der Anodenseite des Stapels 112, der Temperatur des Stapels 112 und des Drucks innerhalb des Stapels 112 berechnet werden. Die Wasserstoffströmung in den Stapel 112 sollte grob ein Anodenvolumen sein. Wenn eine unzureichende Menge an Wasserstoff in den Stapel oder eine Zelle strömt, können einige der Brennstoffzellen zurückbleiben, die eine H2/O2-Front enthalten. Das Schleifenvolumen für den Stapel 112 wird berechnet, und diese Information wird mit dem Wasserstoffdurchfluss während der Inbetriebnahme kombiniert, um die Spülzeit zu bestimmen.
  • Dieser Dekompressions/Rekompressionszyklus ist in den 4A–E gezeigt. In 4A werden die Anodenkanäle 210, 215, 220 des Stapels 225 mit Luft und/oder Stickstoff gefüllt. Der Stapel weist einen Anodeneinlass 230 und ein Ablassventil 235 auf. Es ist eine Blockierung 240 in dem Anodenkanal 215 vorhanden. In 4B wird Wasserstoff in den Anodeneinlass 230 eingeführt und strömt in Anodenkanäle 210, 215, 220. Die Kompression des Gases treibt Wasserstoff sogar in den blockierten Anodenkanal 215. Jedoch verhindert die Blockierung 240 in dem Anodenkanal 215 ein Füllen des Anodenkanals 215 mit Wasserstoff. Der Betrieb des Stapels verbraucht den Wasserstoff in der blockierten Zelle, wie in 4C gezeigt ist, was in einem Spannungsabfall resultiert. In 4D wird der Druck in der Anode reduziert, was ermöglicht, dass ein Teil des angesammelten Stickstoff- (oder anderen Nicht-Wasserstoff-)Gases in der blockierten Zelle von dem Einlass zu dem Kanal 215 heraus in die anderen Zellen ausgetragen wird, wo es durch das Ablassventil 235 ausgetragen werden kann. In 2E wird der Stapel erneut mit Wasserstoff unter Druck gesetzt, wobei Wasserstoff in die Zellen komprimiert wird, die einen blockierten Kanal 215 aufweisen. Der Zyklus wird so lange wiederholt, bis das gesamte Stickstoff- (oder andere Nicht-Wasserstoff-)Gas von der blockierten Zelle entfernt ist.
  • Um ein Austrocknen des Stapels zu verhindern, wenn die Last abgekoppelt ist, kann die Kathodenluftströmung reduziert werden. Dies minimiert auch die Last an einer zusätzlichen Leistungsversorgung. Zum Austritt von einer blockierten Zelle kann eine gewisse Stapelerwärmung notwendig werden, um das Eis aufzutauen. Wenn eine zusätzliche Erwärmungsquelle verfügbar ist, kann sie zum Erwärmen des Stapels verwendet werden.
  • Während des Zyklus kann gegebenenfalls der an die Kathode gelieferte Wasserstoff zur katalytischen Erwärmung des Stapels verwendet werden. Während der Dekompression, wenn der Stapel möglicherweise nicht zum Unterstützen der Last in der Lage ist oder wenn die Stapellast für den gesamten Zyklus zum Lastmanagement abgekoppelt ist, ist eine zusätzliche Energiequelle, wie eine Batterie, erforderlich, um den Kompressor und andere parasitäre Lasten hand zu haben.
  • Dieser Modus des Druckwechsels kann verlassen werden, wenn sich die Zellenspannung erholt. Um ein Wiederauftreten negativer Zellenspannungen und eines potentiellen Stapelschadens zu vermeiden, kann der Druckwechsel so lange fortgesetzt werden, bis sich der Stapel oberhalb eines Gefrierens befindet, um sicherzustellen, dass jegliche Eisblockaden geschmolzen sind.
  • Wenn eine Zelle an dem Anodeneinlass blockiert ist, arbeitet der Prozess dennoch, jedoch wird die blockierte Zelle von dem Auslass gespeist. In diesem Fall wird die anfängliche Kompression nicht viel Wasserstoff, wenn überhaupt, in diese Zelle aufgrund des stromaufwärtigen Volumens bringen, und die Rekompressionszyklen bringen eine geringere Auslasswasserstoffkonzentration und wird somit schneller verbraucht.
  • Dieses Verfahren kann nach Bedarf auf eine blockierte Kathode angewendet werden. Jedoch ist dies nicht notwendig, da eine blockierte Kathode die Zelle nicht schädigt.
  • Ferner sei angemerkt, dass Beschreibungen einer Komponente einer Ausführungsform hier, die in einer bestimmten Weise ”konfiguriert” ist oder eine bestimmte Eigenschaft oder Funktion in einer bestimmten Art und Weise verkörpert, strukturelle Beschreibungen im Gegensatz zu Beschreibungen eines beabsichtigten Gebrauchs sind. Genauer bezeichnen die Bezugnahmen hier auf die Art und Weise, in der eine Komponente ”konfiguriert” ist, einen existierenden physikalischen Zustand der Komponente und sind somit als eine definitive Beschreibung der strukturellen Faktoren der Komponente anzusehen.
  • Es sei angemerkt, dass Begriffe wie ”allgemein”, ”üblicherweise” und ”typischerweise”, wenn sie hier verwendet sind, nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen zu beschränken oder zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Ausführungsformen sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, bestimmte Aspekte einer Ausführungsform zu identifizieren oder alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform verwendet sein können, jedoch nicht müssen.
  • Für die Zwecke der Beschreibung und Definition von Ausführungsformen hier sei angemerkt, dass die Begriffe ”im Wesentlichen”, ”signifikant” und ”ungefähr” hier dazu verwendet sind, den inhärenten Grad einer Unsicherheit zu repräsentieren, der einem quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zu eigen ist. Die Begriffe ”im Wesentlichen”, ”signifikant” und ”ungefähr” sind hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
  • Nach der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Ausführungsformen, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist es, obwohl einige Aspekte der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert sind, denkbar, dass die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte beschränkt sind.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems, umfassend, dass: Wasserstoff an einen Einlass einer Anode einer Brennstoffzelle geliefert wird, wobei die Anode auf einen Druck druckbeaufschlagt wird; bestimmt wird, ob ein blockierter Zellenzustand existiert; wenn kein blockierter Zellenzustand existiert, eine normale Startabfolge ausgelöst wird; wenn ein blockierter Zellenzustand existiert, abwechselnd der Druck der Anode reduziert und der Druck der Anode erhöht wird, bis ein Austrittszustand existiert, wobei der Austrittszustand daraus gewählt ist, ob eine Spannung der Brennstoffzelle stabil ist oder eine Temperatur der Brennstoffzelle größer als etwa 0°C ist oder beides; und wenn der Austrittszustand existiert, die normale Startabfolge ausgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, ob der blockierte Zellenzustand existiert, umfasst, dass bestimmt wird, ob die Spannung der Brennstoffzelle negativ ist, oder bestimmt wird, ob die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner als etwa 0° ist, oder beides.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass eine Last an der Brennstoffzelle reduziert wird, während der Druck der Anode reduziert wird oder während der Druck der Anode erhöht wird, oder beides.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck der Anode innerhalb weniger als etwa 10 Sekunden reduziert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen des Drucks der Anode ein Erhöhen des Anodendrucksollwerts umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen des Drucks der Anode ein Öffnen eines Wasserstofflieferventils umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Brennstoffzelle erwärmt wird, während der Druck der Anode reduziert wird oder während der Druck der Anode erhöht wird, oder beides.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Zellenspannung überwacht wird, um zu bestimmen, ob die Zellenspannung stabil ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck der Anode reduziert wird, bevor der Druck der Anode erhöht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druck der Anode erhöht wird, bevor der Druck der Anode reduziert wird.
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