DE102011087104A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung und Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels, welche die für die Aktivierung benötigte Zeit und die Menge an Wasserstoff, welche für die Aktivierung verwendet wird, durch das Anwenden eines Benetzungsprozess im Vakuum in einem Abschaltvorgang wesentlich verringert. Insbesondere befeuchtet ein Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit den Brennstoffzellenstapel und betreibt den Brennstoffzellenstapel mit einer Leerlaufspannung, und ein Benetzungsbetrieb im Vakuum benetzt die Oberfläche einer Polymer-Elektrolytmembran durch das Erzeugen einer Vakuumatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel. Der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum werden abwechselnd und mehrmals durchgeführt.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels. Genauer betrifft sie die Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels, welche die für die Aktivierung benötigte Zeit und die Menge an Wasserstoff, welche für die Aktivierung verwendet wird, wesentlich verringert, durch das Gebrauch machen von einem Benetzungsprozess im Vakuum bei einem Abschalten darin.
  • (b) Hintergrund der Erfindung
  • Es gab aufgrund von wachsenden Bedenken der Öffentlichkeit und Interesse an Umweltthemen und CO2 Bestimmungen eine zunehmende weltweite Nachfrage nach der Entwicklung von umweltfreundlichen Fahrzeugen. Deshalb haben umweltfreundliche und hoch effiziente Brennstoffzellenfahrzeuge, die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ersetzen können, welche eine Umweltverschmutzung verursachen, viel öffentliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
  • Insbesondere bei einem Brennstoffzellenfahrzeug wird nach dem Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels, welcher eine Kernkomponente des Brennstoffzellenfahrzeugs ist, ein Aktivierungsprozess für den Stapel durchgeführt, um (1) sicherzustellen, dass ein dreiphasiger Elektrodenreaktionsbereich vorliegt, (2) um Verunreinigungen von einer Polymer-Elektrolytmembran oder Elektroden zu entfernen, und (3) die Ionenleitfähigkeit der Polymer-Elektrolytmembran zu verbessern. Durch das Gewährleisten dieser drei Fähigkeiten kann der Brennstoffzellenstapel die normale Leistungsfähigkeit zeigen.
  • Insbesondere während der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels ist dessen Aktivität in einer elektrochemischen Reaktion herabgesetzt, und somit ist es notwendig, einen Aktivierungsprozess für den Stapel durchzuführen, um die normale ursprüngliche Leistung zu maximieren. Dieser Aktivierungsprozess des Stapels wird ebenfalls Vorkonditionierung oder Aufbrechen genannt, und dessen Zweck liegt darin, einen Katalysator zu aktivieren, welcher nicht an der Reaktion teilnehmen kann und um einen Durchgang für Wasserstoff-Ionen durch das ausreichende Hydrieren von Elektrolyten, welche in der Elektrolytmembran und den Elektroden enthalten sind, sicherzustellen.
  • 1 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen Verfahrens/Prozess für die Stapelaktivierung unter Verwendung eines Impulsprozess, welcher eine Entladung bei hoher Stromdichte und eine Entladung beim Abschalten enthält. Wie in 1 dargestellt, ist das herkömmliche Verfahren für die Stapelaktivierung dazu eingerichtet, um einen Impulsprozess durchzuführen, welcher wiederholt mehrmals bis zu einem duzendmal eine Entladung bei einer hohen Stromdichte und eine Impulsentladung während eines ausgeschalteten Zustands verwendet. Dieses herkömmliche Verfahren für die Stapelaktivierung benötigt jedoch eine Durchlaufzeit von beispielweise ungefähr 1,5 bis 2 Stunden im Hinblick auf ein Untermodul mit 220 Zellen.
  • Genauer wird bei dem herkömmlichen Verfahren zur Aktivierung des Stapels eine hohe Stromdichte (1,2 oder 1,4 A/cm2) für 3 Minuten entladen und ein Impulsentladungsprozess wird während eines ausgeschalteten Zustands für 5 Minuten durchgeführt. Diese zwei Prozesse werden fortlaufend ungefähr 11 Mal vollständig durchgeführt, bevor der Aktivierungsprozess abgeschlossen ist.
  • Die bei dem Aktivierungsprozess verwendete Menge an Wasserstoff nimmt jedoch mittels der Impulsentladung mit zunehmender Durchlaufzeit zu. Das heißt, das herkömmliche Aktivierungsverfahren, bei dem die Impulsentladung in einem ausgeschalteten Zustand verwendet wird, kann den Fluss des Wassers in dem Brennstoffzellenstapel variieren, und somit die Aktivierungsrate erhöhen. Die für die Aktivierung benötigte Zeit beträgt ungefähr 105 min und die für die Aktivierung benötigte Menge an Wasserstoff beträgt beispielsweise ungefähr 2,9 kg im Hinblick auf ein Untermodul mit 220 Zellen. Als Folge davon erfordert das Verfahren eine lange Durchlaufzeit und eine große Menge an Wasserstoff, um wirksam zu sein.
  • Die in diesem Abschnitt zur Beschreibung des Hintergrunds offenbarten obigen Informationen dienen nur zur Erleichterung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die keinen Stand der Technik bilden, welche dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels mit Hilfe eines Benetzungsprozess im Vakuum zur Verfügung, welcher die ionische Leitfähigkeit wirksam verbessern kann, verglichen mit einem bestehenden Aktivierungsprozess, und auf diese Weise die für die Aktivierung benötigte Menge an Wasserstoff und die für die Aktivierung benötigte Zeit wesentlich verringert, damit diese abgeschlossen wird.
  • In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung. Insbesondere weist dieses System und Verfahren einen Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit, welcher den Brennstoffzellenstapel befeuchtet und den Brennstoffzellenstapel bei einer Leerlaufspannung betreibt; und einen Benetzungsbetrieb im Vakuum auf, welcher die Oberfläche einer Polymer-Elektrolytmembran durch das Erzeugen einer Vakuumatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel benetzt. Genauer, werden der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum abwechselnd und mehrmals für eine vorbestimmte Zeitdauer oder für eine vorbestimmte Anzahl von Wiederholungen durchgeführt.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Benetzungsvorgang im Vakuum ebenfalls die Zuführung von Wasserstoff und Luft abschalten und eine Spannung anlegen, um das restliche Gas in dem Brennstoffzellenstapel aufzubrauchen, um auf diese Weise eine Vakuumatmosphäre in den Brennstoffzellenstapel zu erzeugen. Zusätzlich dazu kann der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden, was zum Beispiel für eine vorbestimmte Zeit von 2 bis 5 Minuten für den Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und 2 bis 5 Minuten für den Benetzungsprozess im Vakuum sein kann. Bei manchen Ausführungsformen kann des Weiteren bei dem Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit der Befeuchtungsprozess bei einer relativen (Luft)feuchte von 100% oder mehr durchgeführt werden.
  • In weiteren Ausführungsformen kann das Verfahren zudem eine luftdichte Lagerung aufweisen, welche durchgeführt wird, nachdem der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsprozess im Vakuum mehrmals durchgeführt werden.
  • Bei einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Aktivierungsgehäuse einschließlich einer Versorgungseinrichtung für Wasserstoff, zum Bereitstellen von Wasserstoff für den Brennstoffzellenstapel, eine Versorgungseinrichtung für Luft, zum Bereitstellen von Luft für den Brennstoffzellenstapel, einen Befeuchter, zum Befeuchten des Brennstoffzellenstapels; und ein Steuergerät zum Steuern des Aktivierungsgehäuses, wobei das Steuergerät das Aktivierungsgehäuse steuert, um abwechselnd und mehrmals einen Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und einen Benetzungsbetrieb im Vakuum durchzuführen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das Aktivierungsgehäuse einen Prüfverteiler aufweisen, welcher mit dem Brennstoffzellenstapel derart verbunden ist, so dass Wasserstoff und Luft in den Brennstoffzellenstapel strömen. Insbesondere kann der Prüfverteiler mit einer Stapelankopplungseinheit zum Befestigen des Brennstoffzellenstapels an dem Aktivierungsgehäuse verbunden sein. Des Weiteren kann bei manchen Ausführungsformen die Vorrichtung ebenfalls eine Stapeltransporteinheit zum Transportieren des Brennstoffzellenstapels, welcher aktiviert werden soll, aufweisen.
  • Andere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden unten stehend diskutiert.
  • KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
  • Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen von diesen beschrieben werden, welche von den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, welche unten stehend nur zur Veranschaulichung dienen, und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränken sind, und wobei:
  • 1 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein herkömmliches Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels veranschaulicht;
  • 2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 3 ist ein Schaubild, welches zeigt, dass die Aktivität durch eine luftdichte Lagerung bei dem Verfahren zur Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbessert wird, bei dem die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Spannung in Übereinstimmung mit der vergangenen luftdichten Lagerung dargestellt ist;
  • 4 ist ein Schaubild, welcher zeigt, dass die Aktivität durch eine luftdichte Lagerung bei dem Verfahren zur Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbessert wird, bei dem die Änderung bei der Leerlaufspannung und des Widerstands in Übereinstimmung mit der vergangenen Zeit der luftdichten Lagerung dargestellt ist; und
  • 5 ist ein schematisches Schaubild, welches die Konfiguration einer Vorrichtung zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen enthalten eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie unten stehend diskutiert:
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Aktivierungsgehäuse
    110
    Prüfverteiler
    200
    Stapelankopplungseinheit
    300
    Stapeltransporteinheit
    400
    Brennstoffzellenstapel
  • Es versteht sich, dass die angefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, und eine irgendwie vereinfachte Repräsentation von unterschiedlichen bevorzugten Merkmalen, welche für die grundsätzlichen Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind, darstellen. Die speziellen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie hierin offenbart, einschließlich, zum Beispiel bestimmter Abmaße, Orientierungen, Stellen und Gestaltungen, werden zum Teil von der bestimmten beabsichtigten Anwendung und der Verwendungsumgebung bestimmt werden.
  • In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf dieselben oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung über die mehreren Figuren der Zeichnungen hinweg.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend wird nun im Detail auf unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht und unten stehend beschrieben sind. Während diese Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegenteil, soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern ebenso unterschiedliche Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche in dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein können, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen festgelegt sind.
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder „Fahrzeug ...” oder andere ähnliche Ausdrücke, wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen mit einschließt, wie zum Beispiel Personenkraftwagen einschließlich allradangetriebene Offroader (SUV), Busse, Lastwagen, unterschiedliche Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und dieser schließt Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in Hybrid Elektrofahrzeuge, wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff (zum Beispiel Kraftstoffe, die aus Ressourcen mit Ausnahme von Erdöl erzeugt wurden) mit ein. Wie hierin Bezug genommen, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehrere Kraftquellen besitzt, zum Beispiel sowohl mit Benzin angetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung, welche die Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels mit einer extrem geringen Menge an Wasserstoff innerhalb einer kurzen Zeit durch das wiederholte Durchführen eines Befeuchtungsbetriebs, welcher flüssige Tröpfchen in den Brennstoffzellenstapel einführt, und eines Benetzungsbetriebs im Vakuum erzielt, welcher eine Vakuumatmosphäre durch das Aufbrauchen des restlichen Gases in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt.
  • Unten stehend wird eine Vorrichtung zum Aktivieren einer Brennstoffzelle gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
  • 5 ist ein schematisches Schaubild, welches die Konfiguration einer Vorrichtung zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung aktiviert einem Brennstoffzellenstapel, welcher von einer automatischen Montagemaschine hergestellt wurde, und umfasst ein Aktivierungsgehäuse 100 zum Durchführen der Aktivierung im Inneren, eine Stapeltransporteinheit 300 zum Transportieren der hergestellten Brennstoffzelle 400, und eine Stapelankopplungseinheit 200 zum Befestigen des Brennstoffzellenstapels 400, welcher von der Stapeltransporteinheit 300 zu dem Aktivierungsgehäuse 100 transportiert wird. Die Stapelankopplungseinheit 200 ist elektrisch mit dem Aktivierungsgehäuse 100 verbunden, so dass der Brennstoffzellenstapel 400 arbeiten kann und ist mit einem Prüfverteiler 110 verbunden, welcher in dem Aktivierungsgehäuse 100 zur Verfügung gestellt wird, so dass der Wasserstoff und die Luft in dem Aktivierungsgehäuse 100 entsprechend in den Brennstoffzellenstapel 400 strömen können.
  • Des Weiteren ist das Aktivierungsgehäuse 100 dazu eingerichtet, konstante Bedingungen für die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung zu stellen, in welchem ein Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher (Luft)Feuchtigkeit und ein Benetzungsbetrieb im Vakuum abwechselnd und mehrmals durchgeführt werden, welche später beschrieben werden. Dazu kann das Aktivierungsgehäuse 100 eine Versorgungseinrichtung für Wasserstoff, eine Versorgungseinrichtung für Luft, einen Befeuchter und ein Steuergerät zum Steuern derartiger Geräte aufweisen.
  • Passend dazu kann das Aktivierungsgehäuse 100, welches in der Vorrichtung zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels enthalten ist, in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein konfiguriertes System zum Erzeugen einer Vakuumatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel aufweisen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Aktivierungsgehäuse 100 ein Abschaltmittel für den Fluss zum Abschneiden der Versorgung mit Wasserstoff, Luft und flüssigen Tröpfchen, welche in den Brennstoffzellenstapel eingeführt werden, und auf diese Weise ein Vakuum erzeugen, aufweisen. Somit wird bei der Vorrichtung zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vorbestimmte Belastung auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht, so dass das restliche Gas in den Brennstoffzellenstapel aufgebraucht wird, und auf diese Weise ein Vakuum in den Brennstoffzellenstapel erzeugt, während die Versorgung mit Wasserstoff, Luft, etc., welche in den Brennstoffzellenstapel eingeführt werden, von dem Abschaltmittel für den Fluss abgeschaltet wird.
  • Wie oben stehend erwähnt, steuert das Steuergerät, welches in dem Aktivierungsgehäuse 100 der vorliegenden Erfindung enthalten ist, das Aktivierungsgehäuse 100, um abwechselnd und mehrmals den Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und den Benetzungsbetrieb im Vakuum durchzuführen. Somit steuert das Steuergerät das Aktivierungsgehäuse 100 während des Leerlaufspannungsbetriebs bei hoher Feuchtigkeit, um den Leerlaufspannungsbetrieb durchzuführen, während die Versorgungseinrichtung für Wasserstoff, die Versorgungseinrichtung für Luft und der Befeuchter betrieben werden. Umgekehrt wird die Versorgung mit Wasserstoff, Luft, etc., welche in den Brennstoffzellenstapel eingeführt werden, während dem Benetzungsbetrieb im Vakuum von dem Abschaltmittel für den Fluss abgeschaltet, und eine Belastung wird auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht, und erreicht auf diese Weise das Benetzen im Vakuum des Brennstoffzellenstapels. Diese Vorgänge werden mehrmals eine vorbestimmte Anzahl von Malen von dem Steuergerät durchgeführt, bis die Aktivierung abgeschlossen ist.
  • Ein Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der oben stehend beschriebenen Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun im Detail unten stehend beschrieben werden.
  • Das Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beseitigt die Vorgänge mit hoher Stromdichte, welche ganz wesentlich für die Aktivierung des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels verwendet werden, aus dem Prozess und verbessert die Leitfähigkeit der Ionen einer Polymer-Elektrolytmembran durch das Verwenden eines Vakuums in einem Nicht-Ausgabezustand. Gemäß dem Verfahren zum Aktivieren der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung wird aus diesem Grund die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels innerhalb einer kürzeren Zeitdauer abgeschlossen, als bei den Verfahren gemäß dem Stand der Technik, während gleichzeitig wenig oder kein Wasserstoff hierzu verwendet wird.
  • Im Detail weist das Verfahren zur Aktivierung des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung einen Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und einen Benetzungsbetrieb im Vakuum auf. Sobald diese Vorgänge wiederholt werden, wird die Aktivierung der Brennstoffzelle erreicht.
  • Der Leerlaufspannungsbetrieb mit hoher Feuchtigkeit wird durchgeführt, um die Aktivierung durch das Einführen von flüssigen Tröpfchen in den Brennstoffzellenstapel zu erzielen, und der Benetzungsprozess im Vakuum wird nach dem Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit durchgeführt, um die Leitfähigkeit der Ionen der Polymer-Elektrolytmembran durch das Benetzen des Brennstoffzellenstapels unter einer Vakuumatmosphäre zu verbessern.
  • Das oben stehend beschriebene Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung wird grundlegend in einem nicht-Ausgabezustand durchgeführt, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Aktivierungsverfahren einschließlich des Ausgabebetriebs bei hohen Strömen, welcher in einem Ausgabezustand durchgeführt wird. Das heißt, das Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch das Beseitigen des Ausgabebetriebs bei hohen Strömen gekennzeichnet.
  • Wenn nur das Vakuum ohne den Ausgabebetrieb bei hohen Strömen eingesetzt wird, dann erreicht in der Zwischenzeit das Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung nicht 100% der Aktivierung, sondern weist stattdessen nur ungefähr 90% Aktivierung auf, im Vergleich zu dem herkömmlichen Aktivierungsverfahren, welche den Ausgabebetrieb bei hohen Strömen verwendet. Um dieses Problem zu lösen, wird nachdem ein teilweiser Aktivierungsprozess, in welchem der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum wiederholt werden, durchgeführt wird, ein zusätzlicher Aktivierungsprozess, welcher als eine luftdichte Lagerung bekannt ist, des Weiteren durchgeführt, um eine gewünschte Stufe der Aktivierung des Brennstoffzellenstapels zu erzielen.
  • Aus diesem Grund können bei dem Verfahren zur Aktivierung des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung der teilweise Aktivierungsprozess, in welchem der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum wiederholt werden, und dann eine luftdichte Lagerung fortlaufend durchgeführt werden, um die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels abzuschließen.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung, welche den Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und den Benetzungsbetrieb im Vakuum aufweist.
  • Bei der veranschaulichenden Ausführungsform des Verfahrens zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 2 dargestellt, werden der oben stehend beschriebene Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Besetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals in regelmäßigen Intervallen durchgeführt, um die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels zu erreichen.
  • Passend dazu können bei dem Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die regelmäßigen Intervalle, zu denen jeder Betrieb mehrmals durchgeführt wird, basierend auf der Zeit, zu der jede Operation durchgeführt wird, bestimmt werden. In diesem Zusammenhang können der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals für eine vorbestimmte Zeit von jeweils 2 bis 5 Minuten durchgeführt werden.
  • Der Prozess der in 2 dargestellten Ausführungsform, bei der jeder Betrieb durchgeführt wird, wird detaillierter unten stehend beschrieben werden. Wie in 2 dargestellt, wird als erstes bei der vorliegenden Ausführungsform der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit zum Einführen von flüssigen Tröpfchen in den ersten 3 Minuten durchgeführt. Der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit wird durchgeführt, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Befeuchtung bei einer höheren relativen Feuchtigkeit als diejenige aus dem Stand der Technik erreicht wird. Eine ausreichende Befeuchtung entspricht in bevorzugter Weise den Bedingungen, unter welchen der Brennstoffzellenstapel betrieben wird, bei einer relativen Feuchtigkeit von 100% oder mehr. Bei der beispielhaften Ausführungsform von 2 wird zum Beispiel ein Betrieb bei hoher Feuchtigkeit unter derartigen Bedingungen durchgeführt, dass die Temperatur des Befeuchters auf 75°C festgelegt und die Temperatur eines Kühlmittels auf 30°C festgelegt wird, was einer relativen Feuchtigkeit von ungefähr 800% entspricht. Demzufolge werden während des Leerlaufspannungsbetriebs bei hoher Feuchtigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung Wasserstoff und Luft der Brennstoffzelle bei einer Leerlaufspannung bereitgestellt, und auf diese Weise der Brennstoffzellenstapel betrieben.
  • Nach dem Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit wird als nächstes der Benetzungsbetrieb im Vakuum unter einer Vakuumatmosphäre für 3 Minuten durchgeführt, und auf diese Weise wird der Brennstoffzellenstapel benetzt. Dieser Vorgang wird nach dem oben stehend beschriebenen Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit durch das Abschalten der Versorgung mit Wasserstoff und Luft durchgeführt und verbraucht das restliche Gas in den Brennstoffzellenstapel, um eine Vakuumatmosphäre zu erzeugen.
  • Während dem Benetzungsbetrieb im Vakuum des Verfahrens zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung, wird somit die Versorgung mit Wasserstoff und Luft, welche in den Brennstoffzellenstapel eingeführt werden, abgeschaltet und eine vorbestimmte Belastung wird auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht, so dass das restliche Gas in dem Brennstoffzellenstapel verbraucht wird. Mit Hilfe des Benetzungsbetriebs im Vakuum wird in dem Brennstoffzellenstapel eine Vakuumatmosphäre erzeugt, welche auf diese Art und Weise den Brennstoffzellenstapel benetzt.
  • Wie in 2 dargestellt, wird während des Benetzungsbetriebs im Vakuum der vorliegenden Erfindung, demzufolge ein Strom von, zum Beispiel 5 A, an den Brennstoffzellen angelegt, so dass das in dem Brennstoffzellenstapel verbleibende Reaktionsgas schnell aufgebraucht wird, und auf diese Weise in einer verkürzten Zeitdauer in dem Brennstoffzellenstapel eine Vakuumatmosphäre erzeugt.
  • Mit Hilfe des oben stehend beschriebenen Benetzungsbetriebs im Vakuum schwillt die Polymer-Elektrolytmembran leicht an, und dieses Anschwellen der Polymer-Elektrolytmembran ändert die Oberflächenstruktur der Membrane derart, dass die Aufnahme von Wasser in Poren der Membran in vorteilhafter Weise erfolgt. Passend dazu ändert das Anschwellen der Polymer-Elektrolytmembran die Struktur des Polymers SO3 –, welches für die Wasserbewegung geeignet ist, damit es mit Leichtigkeit an der Oberfläche der Membran orientiert werden kann. Deshalb wird die Aufnahmefähigkeit für Wasser der Polymer-Elektrolytmembran verbessert, was im Gegenzug die Leitfähigkeit der Ionen der Polymer-Elektrolytmembran verbessert. Das heißt, die flüssigen Tröpfchen sind in den Nanoporen der Polymer-Elektrolytmembran aufgelöst, und auf diese Weise schwillt die Polymer-Elektrolytmembran an. Gleichzeitig nehmen die funktionellen Gruppen (SO3 –H+) zu, was die Aufnahmefähigkeit für Wasser der Polymer-Elektrolytmembran verbessert, und auf diese Weise die Leitfähigkeit der Ionen (S/cm) der Polymer-Elektrolytmembran verbessert.
  • Während der Fluss des Wassers in der Polymer-Elektrolytmembran bei dem bestehenden Stapelaktivierungsprozess schlechthin beschränkt ist, ist das Wasser in den Poren der Polymer-Elektrolytmembran in allen Richtungen aufgelöst, was die Wanderung von Wasserstoff-Ionen (Protonen) erleichtert, und auf diese Weise die Aktivierung der Elektrolytmembran beschleunigt, wenn der Benetzungsbetrieb im Vakuum in der oben stehend beschriebenen Art und Weise durchgeführt wird. Als Folge davon erreicht das System und das Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung die Aktivierung innerhalb einer kürzeren Zeitdauer im Vergleich zum Stand der Technik.
  • Bei der Ausführungsform von 2, werden der Schritt des Leerlaufspannungsbetriebs bei hoher Feuchtigkeit für 3 Minuten und der Benetzungsbetrieb im Vakuum für 3 Minuten neun Mal wiederholt, um die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Zudem kann bei dem Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsprozess im Vakuum mehrmals zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wurden, ein zusätzlicher Aktivierungsprozess für die weitere Aktivierung des Brennstoffzellenstapels durchgeführt werden.
  • Im Detail, nach dem Aktivierungsprozess, bei dem die zwei Vorgänge wiederholt werden, wird eine luftdichte Lagerung des Abdichtens des Brennstoffzellenstapels und des Lagerns des abgedichteten Brennstoffzellenstapels für eine lange Zeitdauer durchgeführt, um den Brennstoffzellenstapel weiter zu aktivieren.
  • 3 und 4 zeigen die Änderung in der Leistung mit Hilfe der luftdichten Lagerung. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Stromdichte und Spannung in Übereinstimmung mit dem Verstreichen der luftdichten Speicherdauer. Wie in 3 dargestellt, kann man sehen, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels im Hinblick auf die Stromdichte aufgrund der zusätzlichen Aktivierung des Brennstoffzellenstapels gemäß dem Verstreichen der luftdichten Lagerdauer nach dem Aktivieren zunimmt. Des Weiteren zeigt 4 die Änderung der Leerlaufspannung und des Widerstands gemäß dem Verstreichen der luftdichten Lagerdauer. Wie in 4 dargestellt, kann man sehen, dass die Leerlaufspannung gemäß dem Verstreichen der luftdichten Lagerdauer zunimmt und der Widerstand abnimmt, woraus man sehen kann, dass die Aktivität während dem Verstreichen der luftdichten Lagerdauer verbessert wird.
  • Während des zusätzlichen Aktivierungsprozess bei der luftdichten Lagerung wird durch die Reaktion zwischen dem Wasserstoff und Sauerstoff eine Vakuumatmosphäre vergrößert, so dass Wasser in kleinsten Mikroporen der Elektrolytmembran mit Leichtigkeit aufgelöst wird. Als Folge davon, wird die Struktur des Polymers SO3 –, welches für die Wasserbewegung geeignet ist, orientiert, um die Wanderung von Wasserstoff-Ionen zu erleichtern, und um auf diese Weise die Aktivierung zu erreichen. Aus diesem Grund werden bei dem Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals durchgeführt, und auf diese Weise ist es möglich, die für die Aktivierung des Brennstoffzellenstapels benötigte Zeit und die Menge an Wasserstoff, welche für die Aktivierung verwendet wird, wesentlich zu verringern. Zudem wird gemäß dem Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Erfindung die luftdichte Lagerung des Weiteren zur weiteren Aktivierung durchgeführt, und auf diese Weise ist es möglich, die Aktivität des Brennstoffzellenstapels nach dem teilweisen Aktivierungsprozess einschließlich dem oben stehend beschriebenen Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und dem Benetzungsbetrieb im Vakuum zu verbessern.
  • In vorteilhafter Weise beseitigt die Vorrichtung und das Verfahren zum Aktivieren des Brennstoffzellenstapels den Prozess des Anlegens eines hohen Ausgabestroms an den Brennstoffzellenstapel aus dem gesamten Prozess und wendet stattdessen den Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und den Benetzungsbetrieb im Vakuum an und verringert die Anzahl von wiederholten Prozessen wesentlich, und verringert auf diese Weise die für die Aktivierung des Brennstoffzellenstapel benötigte Zeit und die Menge an Wasserstoff, welche für die Aktivierung verwendet wird, signifikant.
  • Die Erfindung wurde im Detail mit Bezugnahme auf deren beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann erkennt jedoch, dass an diesen Ausführungsformen Veränderungen durchgeführt werden können, ohne dabei von den Prinzipien der Erfindung und dem Erfindungsgedanken abzuweichen, wobei deren Schutzumfang in den angehängten Patentansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt.

Claims (19)

  1. Verfahren zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Befeuchten, in einem Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit, des Brennstoffzellenstapels und Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einer Leerlaufspannung; und Benetzen, in einem Benetzungsbetrieb im Vakuum, der Oberfläche einer Polymer-Elektrolytmembran durch das Erzeugen einer Vakuumatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel, wobei der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum abwechselnd und mehrmals durchgeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Benetzungsbetrieb im Vakuum das Abschalten der Zuführung von Wasserstoff und Luft und das Anlegen einer Spannung umfasst, um das restliche Gas in dem Brennstoffzellenstapel aufzubrauchen, um auf diese Weise eine Vakuumatmosphäre in den Brennstoffzellenstapel zu erzeugen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals in regelmäßigen Intervallen durchgeführt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit mehrmals für eine vorbestimmte Zeit von 2 bis 5 Minuten durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals für eine vorbestimmte Zeit von 2 bis 5 Minuten durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei dem Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit der Befeuchtungsprozess bei einer relativen Feuchte von 100% oder mehr durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine luftdichte Lagerung, welche durchgeführt wird, nachdem der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals durchgeführt werden.
  8. Vorrichtung zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Vorrichtung aufweist: ein Aktivierungsgehäuse einschließlich einer Versorgungseinrichtung für Wasserstoff, zum Bereitstellen von Wasserstoff für den Brennstoffzellenstapel, eine Versorgungseinrichtung für Luft, zum Bereitstellen von Luft für den Brennstoffzellenstapel, einen Befeuchter, zum Befeuchten des Brennstoffzellenstapels; und ein Steuergerät zum Steuern des Aktivierungsgehäuses, wobei das Steuergerät das Aktivierungsgehäuse steuert, um abwechselnd und mehrmals einen Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und einen Benetzungsbetrieb im Vakuum durchzuführen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Aktivierungsgehäuse einen Prüfverteiler aufweist, welcher mit dem Brennstoffzellenstapel derart verbunden ist, so dass Wasserstoff und Luft in den Brennstoffzellenstapel strömen, und der Prüfverteiler mit einer Stapelankopplungseinheit zum Befestigen des Brennstoffzellenstapels an dem Aktivierungsgehäuse verbunden ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, des Weiteren aufweisend eine Stapeltransporteinheit zum Transportieren des Brennstoffzellenstapels, welcher aktiviert werden soll.
  11. System zum Aktivieren eines Brennstoffzellenstapels, wobei das System aufweist: ein Aktivierungsgehäuse, in welchem die Brennstoffzelle im Inneren aktiviert wird; und ein Steuergerät zum Steuern des Aktivierungsgehäuses, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, um einen ersten und zweiten Vorgang abwechselnd und mehrmals durchzuführen, wobei der erste Vorgang den Brennstoffzellenstapel befeuchtet und den Brennstoffzellenstapel mit einer Leerlaufspannung betreibt, und der zweite Vorgang die Oberfläche einer Polymer-Elektrolytmembran durch das Erzeugen einer Vakuumatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel benetzt.
  12. System nach Anspruch 11, wobei der zweite Vorgang ein Benetzungsbetrieb im Vakuum ist, welches zudem dazu eingerichtet ist, die Versorgung mit Wasserstoff und Luft abzuschalten und einen Strom anzulegen, um das restliche Gas in dem Brennstoffzellenstapel aufzubrauchen, um eine Vakuumatmosphäre in dem Brennstoffzellenstapel zu erzeugen.
  13. System nach Anspruch 12, wobei der erste Vorgang ein Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit ist, welches zusammen mit dem Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals in regelmäßigen Intervallen durchgeführt wird.
  14. System nach Anspruch 13, wobei Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit mehrmals für eine vorbestimmte Zeit von 2 bis 5 Minuten durchgeführt wird.
  15. System nach Anspruch 14, wobei der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals für eine vorbestimmte Zeit von 2 bis 5 Minuten durchgeführt wird.
  16. System nach Anspruch 11, wobei bei dem ersten Vorgang die Befeuchtung bei einer relativen Feuchtigkeit von 100% oder mehr durchgeführt wird.
  17. System nach Anspruch 11, des Weiteren umfassend eine luftdichte Lagerung, welche durchgeführt wird, nachdem der Leerlaufspannungsbetrieb bei hoher Feuchtigkeit und der Benetzungsbetrieb im Vakuum mehrmals durchgeführt werden.
  18. System nach Anspruch 11, wobei das Aktivierungsgehäuse einen Prüfverteiler aufweist, welcher mit dem Brennstoffzellenstapel derart verbunden ist, so dass Wasserstoff und Luft in den Brennstoffzellenstapel strömen, und der Prüfverteiler mit einer Stapelankopplungseinheit zum Befestigen des Brennstoffzellenstapels an dem Aktivierungsgehäuse verbunden ist.
  19. System nach Anspruch 18, des Weiteren aufweisend eine Stapeltransporteinheit zum Transportieren des Brennstoffzellenstapels, welcher aktiviert werden soll.
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