DE102011017416A1

DE102011017416A1 - Steuerungen, die einem Brennstoffzellensystem eine -25 °C-Froststartfähigkeit verleihen

Info

Publication number: DE102011017416A1
Application number: DE102011017416A
Authority: DE
Inventors: Bruce J. Clingerman; Aaron Rogahn; Jun Cai; Joseph. C. Gerzseny; Manish Sinha; Steven D. Burch; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: US20110262822A1; CN102237535B; DE102011017416B4; CN102237535A; US9379396B2

Abstract

Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, welches umfasst, dass ein Brennstoffzellenstapel betrieben wird. Das Verfahren umfasst, dass eine erhöhte Kathodenluftströmung bereitgestellt wird, um so Brennstoffzellenmembranen in dem Stapel zu trocknen, bis ein erstes erwünschtes Niveau eines Hochfrequenzwiderstands erreicht ist, die Zellenmembranen des Stapels rehydratisiert werden, bis ein zweites erwünschtes Niveau eines Hochfrequenzwiderstands erreicht ist, und der Stapel mit einer verringerten relativen Kathodeneingangsfeuchtigkeit betrieben wird, bis ein drittes erwünschtes Niveau eines Hochfrequenzwiderstands erreicht ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems zur Sicherstellung der Froststartfähigkeit und im Spezielleren ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems zur Sicherstellung einer zuverlässigen Froststartfähigkeit bei Temperaturen von bis zu –25°C.
2. Erläuterung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und verwendet werden kann, um effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen befindlichen Elektrolyt umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird an dem Anodenkatalysator zerlegt, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt hindurch gelangen und werden daher durch eine Last hindurch geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind gängige Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst allgemein eine feste, protonenleitende Polymerelektrolyt-Membran wie z. B. eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anoden- und Kathodenelektroden oder Katalysatorschichten umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, üblicherweise Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer vermischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination aus dem katalytischen Anodengemisch, dem katalytischen Kathodengemisch und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). Jede MEA ist üblicherweise zwischen zwei Platten aus einem porösen Material, der Gasdiffusionsschicht (GDL, von gas diffusion layer) angeordnet, welche die mechanische Integrität der Membran schützt und auch bei der gleichmäßigen Feuchtigkeitsverteilung unterstützend wirkt. MEAs sind relativ kostenintensiv herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen zum effektiven Betrieb.
Mehrere Brennstoffzellen sind typischerweise in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann z. B. zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung von Luft, die von einem Verdichter durch den Stapel gezwungen wird. Der Stapel verbraucht nicht den gesamten Sauerstoff, und etwas von der Luft wird als ein Kathodenabgas, das Wasser als ein Stapel-Nebenprodukt enthalten kann, abgegeben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt auch ein Anoden-Wasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten umfassen anodenseitige und kathodenseitige Strömungsverteiler oder Strömungsfelder für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die zulassen, dass das Anodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Kathodengas-Strömungskanäle sind auf der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die zulassen, dass das Kathodenreaktandengas zu der entsprechenden MEA strömt. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten sind aus einem leitfähigen Material wie z. B. Edelstahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial hergestellt. Die Endplatten leiten die durch die Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die hindurch ein Kühlfluid strömt.
Die Membran innerhalb einer Brennstoffzelle muss einen bestimmten Wassergehalt aufweisen, sodass der Ionenwiderstand über die Membran hinweg gering genug ist, um Protonen effektiv zu leiten. Die Membranbefeuchtung kann von dem Stapelwassernebenprodukt oder einer äußerlichen Befeuchtung kommen. Die Strömung von Reaktanden durch die Strömungskanäle des Stapels hindurch besitzt einen Trocknungseffekt auf die Zellenmembranen, insbesondere an einem Einlass der Reaktandenströmung. Allerdings könnte die Ansammlung von Wassertropfen innerhalb der Strömungskanäle verhindern, dass Reaktanden dadurch strömen und kann bewirken, dass die Zelle auf Grund der geringen Reaktandengasströmung versagt, und somit die Stapelstabilität beeinträchtigen. Die Ansammlung von Wasser in den Reaktandengasströmungskanälen wie auch innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDS) ist bei geringen Stapelausgangslasten besonders störend.
Wie oben erwähnt, wird Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebes erzeugt. Daher wird das Kathodenabgas von dem Stapel typischerweise Wasserdampf und flüssiges Wasser umfassen. Es ist auf dem technischen Gebiet bekannt, eine Wasserdampfübertragungs(WVT von water vapor transfer)-Einheit zu verwenden, um etwas von dem Wasser in dem Kathodenabgas einzufangen und das Wasser zu verwenden, um die Kathodeneingangsluftströmung zu befeuchten. Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Wasserübertragungselemente wie z. B. Membranen wird durch die Wasserübertragungselemente absorbiert und auf der anderen Seite der Wasserübertragungselemente auf den Kathodenluftstrom übertragen.
Hochfrequenzwiderstand (HFR von high frequency resistance) ist eine gut bekannte Eigenschaft von Brennstoffzellen und steht eng mit dem ohmschen Widerstand oder dem Membranprotonenwiderstand der Brennstoffzellenmembran in Beziehung. Der ohmsche Widerstand ist selbst eine Funktion des Grades der Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran. Daher kann durch Messen des HFR der Brennstoffzellenmembranen des Brennstoffzellenstapels innerhalb eines spezifischen Bandes von Erregungsstromfrequenzen der Grad an Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bestimmt werden.
Wie oben erläutert, verursacht eine Membran, die zu nass ist, Probleme auf Grund einer Wasseransammlung innerhalb der Strömungskanäle, und in Niedertemperaturumgebungen kann ein Gefrieren des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel Eis produzieren, das die Strömungskanäle blockiert und dadurch System-Neustarts beeinträchtigt. Wenn ein Brennstoffzellensystem mit einem gefrorenen Stapel startet, erzeugt der Stapel innere Abwärme und beginnt sich zu erwärmen. Der Stapel erzeugt während des Aufwärmprozesses auch Wasser. Es findet im Allgemeinen ein Wettlauf zwischen der Stapelaufheizung und der Erzeugung von Wasser durch den Stapel statt. Wenn zu viel Wasser erzeugt wird, bevor ausreichend Wärme produziert ist, kann das Wasser in dem Stapel gefrieren und eine Gasströmung blockieren und bewirken, dass die Zellenspannung abfällt, was bewirken kann, dass das Brennstoffzellensystem abschaltet.
Wenn ein Brennstoffzellenstapel zu viel Wasser von der letzten Systemabschaltung in sich trägt, kann das während einer langen Inbetriebnahme erzeugte Wasser Gasströmungskanäle blockieren. Typischerweise dauert es, je kälter der Stapel bei einer Inbetriebnahme ist, um so länger, bis sich der Stapel entsprechend erwärmt, und umso wahrscheinlicher ist es, dass das während der Inbetriebnahme erzeugte Wasser die Gasströmungskanäle blockieren wird. Daher dauert es bei sehr kühlen Inbetriebnahmetemperaturen wie z. B. unter –15°C länger, bis sich der Brennstoffzellenstapel auf 0°C erwärmt. Demzufolge wird das Abschaltverfahren sehr bedeutsam für einen erfolgreichen Neustart des Brennstoffzellensystems, insbesondere wenn die Brennstoffzellenstapeltemperatur –15°C oder weniger beträgt.
Ein typisches Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems besteht darin, die Kathodenseite mit einer starken Luftströmung zu spülen und dabei Wasser aus dem Brennstoffzellensystem zu drücken und zu verdampfen. Die kathodenseitige Luftströmungsspülung wird typischerweise durchgeführt, bis der HFR ein spezifisches Trockenheitsniveau erreicht. Je höher der HFR-Wert ist, umso trockener sind die Membranen, und das spezifische HFR-Niveau, das typischerweise verwendet wird, um den Stapel nach einer Abschaltung zu trocknen und ungefähr 225 mΩ cm² beträgt, ist unzureichend. Es besteht daher auf dem technischen Gebiet ein Bedarf an einer robusteren Abschaltstrategie, wenn die Temperaturbedingungen unter dem Gefrierpunkt liegen. Des Weiteren besteht ein Bedarf, sicherzustellen, dass die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels gleichmäßig getrocknet werden, um Feuchtigkeitsgradienten von Zelle zu Zelle wie auch Feuchtigkeitsgradienten von Brennstoffzellenstapeleinslass zu Brennstoffzellenstapelauslass zu minimieren.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Verfahren umfasst, dass der Brennstoffzellenstapel mit einer erhöhte Kathodenluftströmung betrieben wird, um so Brennstoffzellenmembranen in dem Stapel zu trocknen, bis ein erstes erwünschtes Niveau eines Hochfrequenzwiderstands erreicht ist, die Zellenmembranen des Stapels rehydratisiert werden, bis ein zweites erwünschtes Niveau eines Hochfrequenzwiderstands erreicht ist, und der Stapel mit einer verringerten relativen Kathodeneingangsfeuchtigkeit betrieben wird, bis ein drittes erwünschtes Niveau eines Hochfrequenzwiderstands erreicht ist.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle; und
3A und 3B sind Graphen mit der Zeit auf der x-Achse und dem Hochfrequenzwiderstand auf der y-Achse.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die nachfolgende Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems abzielt, ist rein beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen keinesfalls einschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 12 empfängt Wasserstoff von einer Wasserstoffquelle 14 auf einer Anodeneingangsleitung 16 und ein Anodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Anodenabgasleitung 18 ausgetragen. Ein Verdichter 20 stellt eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 22 durch eine Wasserdampfübertragungs(WVT)-Einheit 26 hindurch bereit, welche die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird aus dem Stapel 12 auf einer Kathodenabgasleitung 28 ausgegeben. Die Kathodenabgasleitung 28 leitet das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 26, um die Feuchtigkeit zum Befeuchten der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Eine Umgehungsleitung 36 ist um die WVT-Einheit 26 herum vorgesehen und ein Umgehungsventil ist in de Umgehungsleitung 36 vorgesehen und ist gesteuert, um das Kathodenabgas selektiv durch die WVT-Einheit 26 hindurch oder um diese herum zu leiten, um die gewünschte Menge an Feuchtigkeit an die Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Ein Controller 40 steuert das Umgehungsventil 32 und den Verdichter 20. Ein Hochfrequenzwiderstand(HFR)-Sensor 42 misst den HFR des Brennstoffzellenstapels 12, um dadurch zuzulassen, dass das Zeilenmembran-Befeuchtungsniveau des Brennstoffzellenstapels 12 von dem Controller 40 bestimmt wird.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Brennstoffzelle 24, die Teil eines Brennstoffzellenstapels des oben erläuterten Typs ist. Die Brennstoffzelle 24 umfasst eine Kathodenseite 44 und eine Anodenseite 46, die durch eine Elektrolytmembran 48 getrennt sind. An der Kathodenseite 44 ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 50 vorgesehen und zwischen der Membran 48 und der Diffusionsmediumschicht 50 ist eine kathodenseitige Katalysatorschicht 52 vorgesehen. Ebenso ist an der Anodenseite 46 eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 54 vorgesehen und zwischen der Membran 48 und der Diffusionsmediumschicht 54 ist eine anodenseitige Katalysatorschicht 56 vorgesehen. Die Katalysatorschichten 52 und 56 und die Membran 48 definieren eine MEA. Die Diffusionsmediumschichten 50 und 54 sind poröse Schichten, die für einen Eingangsgastransport zu und Wassertransport von der MEA sorgen. Auf dem technischen Gebiet sind verschiedene Techniken zum Abscheiden der Katalysatorschichten 52 und 56 auf den Diffusionsmediumschichten 50 bzw. 54 oder auf der Membran 48 bekannt.
Eine kathodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 58 ist an der Kathodenseite 44 vorgesehen, und eine anodenseitige Strömungsfeldplatte oder Bipolarplatte 60 ist an der Anodenseite 46 vorgesehen. Die Bipolarplatten 58 und 60 sind zwischen den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Eine Wasserstoffreaktandengasströmung von den Strömungskanälen 62 in der Bipolarplatte 60 reagiert mit der Katalysatorschicht 56, um die Wasserstoffionen und die Elektronen aufzuspalten. Sauerstoff in der Luftströmung von den Strömungskanälen 64 in der Bipolarplatte 58 reagiert mit der Katalysatorschicht 52. Die Wasserstoffionen können sich durch die Membran 48 hindurch ausbreiten, wo sie elektrochemisch mit dem Sauerstoff in der Luftströmung und den zurückkehrenden Elektronen in der Katalysatorschicht 52 reagieren, um Wasser als ein Nebenprodukt zu erzeugen. Die Bipolarplatte 58 umfasst Stege 66 zwischen den Strömungskanälen 64, und die Bipolarplatte 60 umfasst Stege 68 zwischen den Strömungskanälen 62. In der Bipolarplatte 58 sind Kühlfluidströmungskanäle 70 vorgesehen, und in der Bipolarplatte 60 sind Kühlfluidströmungskanäle 72 vorgesehen.
Elektronen von einer benachbarten Zelle (nicht gezeigt) bewegen sich durch die Bipolarplatte 58 hindurch zu der kathodenseitigen Katalysatorschicht 52. Die Protonen bewegen sich durch die Membran 48 hindurch nach oben und die Elektronen bewegen sich durch die Bipolarplatte und die Diffusionsmediumschicht hindurch nach unten, um sich mit dem Sauerstoff zu kombinieren und Wasser zu produzieren.
Um die –25°C-Froststartfähigkeit in einem Brennstoffzellensystem zu erreichen, werden spezifische Schritte und Steuerungsverfahren verwendet, um sicherzustellen, dass der Stapel 12 eine/n akzeptable/n Wassergehalt und Wasserverteilung am Ende einer Luftspülung während einer Systemabschaltung aufweist, die nachfolgend im Detail beschrieben sind. Das nachfolgend beschriebene Verfahren stellt eine/n akzeptable/n Wassergehalt und Wasserverteilung über den gesamten Stapel 12 ohne die Notwendigkeit einer individuellen Brennstoffzellen-Luftströmungssteuerung bereit. Das nachfolgend beschriebene Verfahren kann auch bei jeder Temperatur bei einer Abschaltung des Brennstoffzellensystems 10 verwendet werden, es ist jedoch am vorteilhaftesten, wenn es wahrscheinlich ist, dass der Brennstoffzellenstapel 12 nach einer Abschaltung Temperaturen unterhalb von –15°C ausgesetzt ist.
Das Abstellverfahren umfasst drei Hauptstufen, wie folgt: (1) eine relativ lange Brennstoffzellenstapel-Austrocknungsstufe; (2) eine relativ kurze Wiederbefeuchtungsstufe für den Brennstoffzellenstapel 12; und (3) eine letzte Austrocknungsstufe des Brennstoffzellenstapels 12. Jede dieser drei Stufen ist nachfolgend im Detail erläutert. Während aller dieser Stufen wird der durchschnittliche HFR des Stapels 12 mithilfe des HFR-Sensors 42 gemessen. Somit muss der HFR und demzufolge die Feuchtigkeitsmenge einer jeden Zelle 24 in dem Stapel 12 nicht bekannt sein.
Die erste Stufe 1, die eine relativ lange Brennstoffzellenstapel-Austrocknungsstufe ist, verwendet eine hohe Kathodenluftströmung von dem Verdichter 20, bis der Brennstoffzellenstapel 12 bis zu einem durchschnittlichen HFR trocknet, der trockener ist als normale Betriebsbedingungen, beispielsweise ungefähr 400 mΩ-cm². Wenngleich 400 mΩ-cm² trockener als notwendig für eine einzelne Brennstoffzelle 24 ist, wird ausreichend Luftströmung und Zeit für eine nassere als eine durchschnittliche Brennstoffzelle 24 in dem Brennstoffzellenstapel 12 bereitgestellt, um sie auf das erwünschte Niveau eines typischeren gemessenen HFR wie z. B. 225 mΩ-cm² anzuheben, wie nachfolgend in größerem Detail erläutert.
Die 3A und 3B veranschaulichen Ergebnisse auf der Basis eines Modells, welches die Austrocknung zwischen einer normal hydratisierten Brennstoffzelle (3A) und einer besonders nassen Brennstoffzelle (3B) vergleicht. Wie in 3A veranschaulicht, steigt der HFR der normal hydratisierten Brennstoffzelle auf 400 mΩ-cm² in ungefähr derselben Zeit wie der HFR der besonders nassen Zelle in 3B auf 225 mΩ-cm² gelangt. Die Linie θ in den Graphen 3A und 3B stellt die Wassermenge in dem Diffusionsmedium dar und hilft zu erklären, weshalb der HFR der nassen Brennstoffzelle in 3B niedriger ist als der HFR der normal hydratisierten Brennstoffzelle von 3A. Wenn die Diffusionsmediumschichten 50 und 54 der Brennstoffzelle 24 ohne Wasser sind, ist es für das Wasser in der Membran 48 einfach, durch die Diffusionsmediumschicht 50 hindurch und in den Kathodenluftstrom gesaugt zu werden. Wenn die Diffusionsmediumschicht 50 der Brennstoffzelle 24 jedoch Wasser enthält, wird die Membran 48 der Brennstoffzelle 24 nicht so schnell austrocknen, da die Kathodenluftströmung nur eine begrenzte Wassermenge aufnehmen kann. Wenn die Diffusionsmediumschicht 50 Wasser an die Kathodenluftströmung liefert, wird die Membran 48 nass bleiben.
Die Wassermenge in der Membran 48 ist durch λ in den 3A und 3B veranschaulicht, wobei λ das Verhältnis von Wasser zu SO₃H⁺ in der Membran 48 ist. Ein hohes λ, wie in 3B veranschaulicht, korreliert mit einer relativ hohen Wassermenge in der Membran 48. Die Ergebnisse des Modells in den 3A und 3B veranschaulichen, dass die besonders nasse Zelle von 3B bis zu dem erwünschten HFR von 225 mΩ-cm² austrocknen wird, wenn der Rest des Stapels bis zu einem HFR von 400 mΩ-cm² austrocknet. Somit muss der Brennstoffzellenstapel 12 bis zu einem HFR-Wert getrocknet werden, der höher ist als für einen Systemneustart notwendig, z. B. ungefähr 400 mΩ-cm², um sicherzustellen, dass die nassen Zellen des Stapels 12 genug austrocknen, um eine zuverlässige Froststartfähigkeit sicherzustellen. Während ein durchschnittlicher HFR-Wert von 400 mΩ-cm² als ein Ziel-HFR-Wert verwendet wird, ist dieser Wert ein kalibrierbarer Wert und der verwendete tatsächliche durchschnittliche HFR-Wert ist von dem verwendeten Brennstoffzellensystem 10 abhängig. Die erste Stufe, wie oben beschrieben, ist somit zeitabhängig. Wenn somit der erwünschte durchschnittliche HFR-Wert wie z. B. ein durchschnittlicher HFR von 400 mΩ-cm² zu schnell oder zu langsam erreicht wird, kann das Verfahren die Austrocknungsspülung je nach Wunsch fortsetzen oder unterbrechen, um sicherzustellen, dass das geeignete Zeitfenster für die Durchführung der Austrocknungsspülung erreicht wird. Das Verfahren kann auch die Drehzahl des Verdichters 20 anpassen, um sicherzustellen, dass der erwünschte durchschnittliche HFR-Wert innerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters erreicht wird, wie nachfolgend in größerem Detail beschrieben.
Die Stufe 2 ist ein Wiederbefeuchtungsschritt und umfasst eine geringe Menge Kathodenluft zu dem Brennstoffzellenstapel 12. Diese Stufe ist umfasst, da, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 mit einem durchschnittlichen HFR von 400 mΩ-cm² abgeschaltet wird, der Stapel 12 unter Umständen zu trocken für die nächste Inbetriebnahme sein kann. Ein übermäßig trockener Stapel 12 ist problematisch, da die Membranen der Brennstoffzellen 24 in dem Brennstoffzellenstapel 12 Schwierigkeiten mit der Protonenleitfähigkeit haben können, was ein schwaches Leistungsvermögen zur Folge hat. Überdies ist die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 12 verringert, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 trocken betrieben wird, da eine Porenbildung in den Membranen 48 oder ein anderer Schaden an der Brennstoffzelle 24 wie z. B. Spannungspotenzial-Umkehrungen einer oder mehrerer Brennstoffzellen auftreten kann/können.
Die Wiederbefeuchtungsstufe muss relativ schnell stattfinden, um zu verhindern, dass sich irgendwelche nassen Zellen in dem Stapel 12 zu stark wieder befeuchten. Die HFR-Linien in den 3A und 3B veranschaulichen, dass sich die trockenen Zellen schneller wieder befeuchten als die nassen Zellen, was weiter anzeigt, dass eine kurze Wiederbefeuchtungsstufe passend ist. Der Grund dafür, weshalb sich die trockeneren Brennstoffzellen schneller wieder befeuchten liegt darin, dass die nassen Zellen weniger Kathodenluftströmung infolge von Wasseransammlung in der Diffusionsmediumschicht 50, wie oben erläutert, empfangen.
Das Verhältnis der Zeit für Stufe 1 zu Stufe 2 muss hoch, z. B. höher als 3:1, sein, um die erwünschte gleichmäßige relative Membranfeuchtigkeit zu erreichen. Überdies wird während Stufe 1 und Stufe 2 der Anstieg des durchschnittlichen HFR des Stapels 12 überwacht. Wenn somit die HFR-Bedingungen vor dem Abschalten relativ trocken waren, kann die Stufe 1 einen durchschnittlichen HFR von 400 mΩ-cm² in einem zu kurzen Zeitrahmen für die in der Stufe 1 verwendete hohe Verdichterluftströmung erreichen. Um diese Situation zu vermeiden, wird der durchschnittliche HFR des Stapels 12 überwacht, und wenn der durchschnittliche HFR zu schnell steigt, kann der Controller 40 die Drehzahl des Verdichters 20 reduzieren, um sicherzustellen, dass der durchschnittliche HFR innerhalb des erwünschten Zeitrahmens auf das erwünschte Niveau steigt.
Stufe 3 ist eine letzte Austrocknungsstufe ähnlich Stufe 1. Während dieser Stufe wird eine hohe Kathodenluftströmung dafür verwendet, um eine letzte Wasserspülung in dem Stapel 12 und dem Rest der Anlage bereitzustellen. Da die Wiederbefeuchtung von Stufe 2 relativ kurz ist, ist zu erwarten, dass nur eine minimale Wassermenge vorhanden ist, die aus dem Stapel 12 und dem Rest der Anlage entfernt werden muss. Um eine entsprechende Austrocknungsspülung in Stufe 3 zu ermöglichen, muss die Wiederbefeuchtung von Stufe 2 unter einen vorbestimmten durchschnittlichen HFR-Wert wie z. B. unter einen durchschnittlichen HFR von 255 mΩ-cm² fallen. Der durchschnittliche HFR der Wiederbefeuchtung von Stufe 2 kann beispielsweise den durchschnittlichen HFR des Stapels 12 auf 160 mΩ-cm² herabsetzen. Wenn die Wiederbefeuchtungsstufe 2 mit einem durchschnittlichen HFR von 225 mΩ-cm² oder mehr endet, kann die letzte Austrocknung von Stufe 3 den Stapel 12 in einen übermäßig trockenen Zustand für eine nachfolgende Inbetriebnahme setzen. Wie oben erläutert, ist der gewählte HFR ein kalibrierbarer Wert.
Die Stufen 1 und 2 weisen eine sehr hohe relative Einlassfeuchtigkeit, z. B. 60%, im Vergleich zu einer geringen relativen Einlassfeuchtigkeit während Stufe 3, z. B. 35%, auf. Stufe 2 ist eine Wiederbefeuchtungsstufe, weshalb eine hohe relative Einlassfeuchtigkeit erforderlich ist, um die Brennstoffzellen 24 wieder zu befeuchten. Auch Stufe 1 erfordert eine relativ hohe relative Einlassfeuchtigkeit im Vergleich zu Stufe 3, um sicherzustellen, dass die oberstromige Seite der Brennstoffzellen nicht infolge der hohen Kathodenluftströmung austrocknet. Die unterstromige Seite der Brennstoffzellen neigt dazu, auf Grund des zusätzlichen im Stapel 12 erzeugten Wassers befeuchtet zu bleiben, das durch die Kathodenluftströmung stromabwärts getragen wird. Somit wird eine hohe relative Einlassfeuchtigkeit während Stufe 1 verwendet, um sicherzustellen, dass die Einlassseiten der Brennstoffzellen über die gesamte Stufe 1 entsprechend hydratisiert bleiben.
Es ist wichtig, dass ein reines HFR-Signal von dem HFR-Sensor 42 vorhanden ist, da das Ende jeder Stufe zumindest teilweise auf dem HFR basiert. Wenn sich die Drehzahl des Verdichters 20 ändert, neigt das HFR-Signal von dem HFR-Sensor 42 dazu, mehr Rauschen zu messen. Daher legt gemäß diesem Verfahren der Controller 40 die Drehzahl des Verdichters 20 während einer Abschaltung fes anstatt einen Luftströmungs-Sollwert zu verwenden. Um die erwünschte Luftströmung zu erzielen, charakterisiert der Controller 40 das Brennstoffzellensystem 10 und legt die korrekte Drehzahl des Verdichters 20 fest, um die erwünschte Luftströmung zu erzielen.
Der Controller 40 steuert auch das Verfahren zum Neustarten des Brennstoffzellensystems 10. Wenn das System 10 z. B. abschaltet und der Fahrer das System 10 neu starten möchte, sollte der Neustart so schnell wie möglich erfolgen. Allerdings kann das Anlegen einer Last mit einem durchschnittlichen HFR von mehr als 225 mΩ-cm² an den Stapel 12 den Stapel 12 beschädigen. Um diese Situation zu vermeiden, weist das Brennstoffzellensystem 10 spezifische Ausstiegskriterien in dem Fall auf, dass ein Neustart befohlen wird, bevor das hierin beschriebene Verfahren beendet ist. Diese spezifischen Ausstiegskriterien sind nachfolgend in größerem Detail beschrieben.
Wenn z. B. ein Neustart des Systems 10 während Stufe 1 befohlen wird und der durch den HFR-Sensor 42 gemessene durchschnittliche HFR unter 225 mΩ-cm² liegt, wird Stufe 1 abgebrochen, die Stufen 2 und 3 werden ausgelassen und es wird zugelassen, dass das System 10 neu startet. Wenn der Neustart jedoch während Stufe 1 befohlen wird und der durchschnittliche HFR über 225 mΩ-cm² liegt, wird Stufe 1 abgebrochen, Stufe 2 findet statt, bis der durchschnittliche HFR 225 mΩ-cm² oder weniger erreicht, dann wird Stufe 2 abgebrochen, Stufe 3 wird ausgelassen und es wird zugelassen, dass das System 10 neu startet.
Wenn ein Neustart befohlen wird, während sich das Verfahren, wie oben beschrieben, in Stufe 2 befindet, wird Stufe 2 abgebrochen, wenn der durchschnittliche HFR 225 mΩ-cm² oder weniger erreicht, Stufe 3 wird ausgelassen und es wird zugelassen, dass das Brennstoffzellensystems 10 neu startet. Wenn ein Neustart befohlen wird, während sich das Verfahren in Stufe 3 befindet, wird Stufe 3 abgebrochen und es wird zugelassen, dass das Brennstoffzellensystem 10 neu startet.
Die vorhergehende Erläuterung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird aus dieser Erläuterung und aus den beiliegenden Zeichnungen und Ansprüchen ohne Weiteres erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang der Erfindung, die in den nachfolgenden Ansprüchen definiert sind, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Brennstoffzellenstapel mit einer erhöhten Luftströmung betrieben wird, um so eine Vielzahl von Brennstoffzellenmembranen in dem Stapel zu trocknen, bis ein erstes erwünschtes Niveau eines durchschnittlichen Hochfrequenzwiderstands erreicht ist; die Zellenmembranen des Stapels rehydratisiert werden, bis ein zweites erwünschtes Niveau eines durchschnittlichen Hochfrequenzwiderstands erreicht ist; der Stapel mit einer verringerten relativen Kathodeneingangsfeuchtigkeit betrieben wird, bis ein drittes erwünschtes Niveau eines durchschnittlichen Hochfrequenzwiderstands erreicht ist; und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einer erhöhten Kathodenluftströmung länger dauert als das Rehydratisieren der Zellenmembranen des Stapels und das Betreiben mit einer verringerten relativen Kathodeneingangsfeuchtigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Zeitdauer für das Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einer erhöhten Kathodenluftströmung, um so eine Vielzahl von Brennstoffzellenmembranen in dem Stapel zu trocknen, zu der Zeitdauer für das Rehydratisieren der Zellenmembranen des Stapels zumindest 3:1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einer erhöhten Kathodenluftströmung umfasst, dass die Drehzahl eines Verdichters verstellt wird, um den erwünschten Hochfrequenzwiderstand in einem erwünschten Zeitfenster zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die relative Kathodeneingangsfeuchtigkeit, während der Stapel mit einer verringerten relativen Kathodeneingangsfeuchtigkeit betrieben wird, ungefähr 35% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Betreiben des Stapels mit einer verringerten relativen Kathodeneingangsfeuchtigkeit umfasst, dass die Kathodenluftströmung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Drehzahl eines Verdichters auf eine gewünschte Kathodenluftströmung festgelegt wird, um so ein Hochfrequenzwiderstandsrauschen zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems eine Prozedur zum Abbrechen des Abschaltens, wenn ein Neustart des Brennstoffzellensystems angefordert wird und sich der gemessene Hochfrequenzwiderstand auf einem erwünschten Niveau befindet, umfasst.