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Hintergrund
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Insbesondere betrifft sie Verfahren zum Hochfahren eines automobilen Brennstoffzellensystems, welches einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel umfasst.
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Beschreibung des verwandten Stands der Technik
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Brennstoffzellen wie Feststoff-Polymer-Elektrolyt- oder Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch Reaktanden, nämlich einen Brennstoff (wie etwa Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (wie etwa Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen kathodischen und anodischen Elektroden. Eine Struktur, welche einen Feststoff-Polymer-Membran-Elektrolyten umfasst, welcher zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet ist, wird als eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet. In einer typischen Brennstoffzelle sind auf jeder Seite der MEA Strömungsfeldplatten vorgesehen, welche zahlreiche Fluidverteilungskanäle für die Reaktanden umfassen, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf die jeweiligen Elektroden zu verteilen, und um Nebenprodukte der elektrochemischen Reaktionen abzuführen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Wasser ist das hauptsächliche Nebenprodukt in einer Brennstoffzelle, welche mit Wasserstoff und Luft als Reaktanden betrieben wird. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihen zusammengestapelt, um eine höhere Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Brennstoffzellenstapel können für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen weiter in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.
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Zusammen mit Wasser ist Wärme ein bedeutendes Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfinden. Im Allgemeinen werden daher Mittel zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels benötigt. Stapel, welche dazu ausgelegt sind, eine hohe Leistungsdichte zu erreichen (zum Beispiel automobile Stapel) zirkulieren typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch den Stapel, um Wärme rasch und effizient abzuführen. Um dies zu erreichen, sind typischerweise auch Kühlmittel-Strömungsfelder, welche zahlreiche Kühlmittelkanäle umfassen, in die Strömungsfeldplatten der Zellen in den Stapeln integriert. Die Kühlmittel-Strömungsfelder können auf den elektrochemisch inaktiven Oberflächen der Strömungsfeldplatten ausgebildet sein und können so das Kühlmittel relativ gleichmäßig innerhalb der Zellen verteilen, wobei sie das Kühlmittel zuverlässig von den Reaktanden getrennt halten.
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Verschiedene Teilsysteme und Verfahren wurden im Stand der Technik für Zwecke der Verbesserung der Kühlleistung in solchen Stapeln offenbart. Zum Beispiel beschreibt die
CA2424172 ein Brennstoffzellensystem mit einer Wärmetauscheinheit, welche mit dem Kühlmitteleinlass und Auslass gekoppelt ist. Eine Wassersprüheinheit ist ebenso vorgesehen, um Auslasswasser in Luft zu sprühen, welche durch die Wärmetauscheinheit geblasen wird. Das Auslasswasser wird verdunstet und erhöht die Kühlleistung der Wärmetauscheinheit.
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In bestimmten Anwendungen können PEMFC-Stapel wiederholten An-Aus-Arbeitszyklen ausgesetzt sein, welche eine Aufbewahrung für verschiede lange Zeiträume und bei verschiedenen Temperaturen mit sich bringen. Es ist allgemein wünschenswert in der Lage zu sein, solche Stapel innerhalb einer kurzen Zeitspanne hochzufahren. Bestimmte Anwendungen, wie etwa automobile Anwendungen, können ein vergleichsweise rasches und verlässliches Hochfahren aus Aufbewahrungsbedingungen deutlich unterhalb des Gefrierpunkts erfordern. Dies hat eine erhebliche Herausforderung dargestellt, und zwar sowohl wegen der vergleichsweise niedrigen Leistungsfähigkeit der Zellen bei solchen Temperaturen als auch wegen der Probleme, welche mit dem Wasserhaushalt in den Zellen zusammenhängen, wenn diese unter 0°C betrieben werden. Eine gewisse Menge Wasser ist für den ordnungsgemäßen Brennstoffzellenbetrieb erforderlich (zum Beispiel die Hydratisierung des Membranelektrolyten), und sie wird als ein Ergebnis des Bereitstellens elektrischer Leistung erzeugt. Jedoch bildet sich selbstverständlich Eis, wo flüssiges Wasser bei solchen Temperaturen vorhanden ist. Die Anwesenheit von Eis kann in Abhängigkeit davon, wie viel vorhanden ist und an welcher Stelle es sich befindet, problematisch sein, wenn aufbewahrt oder wenn hochgefahren wird.
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Verschiedene Gestaltungen von Brennstoffzellen und von Verfahren zum Hochfahren von Brennstoffzellen wurden im Stand der Technik entwickelt, um ein verbessertes Hochfahren von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorzusehen. Beispielsweise offenbart die
JP2005251463 Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems bei einer niedrigen Temperatur, wobei ein Wärmeerzeugungsmittel verwendet wird, und wobei Wärme aus der Erstarrungswärme von Natriumacetat-Trihydrat erhalten wird. Gefrorenes Wasser in dem Brennstoffzellenstapel wird mit einem geringen Leistungsverbrauch aufgetaut, indem das Wärmeerzeugungsmittel vor dem Hochfahren des Stapels gestartet wird.
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Trotz der Fortschritte, welche bislang gemacht wurden, besteht weiterhin ein Bedarf nach einfacheren und effektiveren Verfahren zum Hochfahren von Brennstoffzellensystemen von einer Temperatur unter Null. Die vorliegende Erfindung stellt eine Möglichkeit zum Erfüllen dieser Bedürfnisse dar und liefert weitere verwandte Vorteile.
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Zusammenfassung
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Als Teil des Prozesses zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unter Null kann man die latente Kristallisationswärme verwenden, welche in einem Wasservorrat vorhanden ist, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Während des Hochfahrens wird ein Wassersprüh-Teilsystem verwendet, um Wasser aus dem Vorrat auf eine Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement zu sprühen, durch welches Kühlmittel von einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel und folglich der Brennstoffzellenstapel erwärmt werden. In einem automobilen Brennstoffzellensystem kann ein Wasservorrat bescheidener Größe überraschenderweise eine erhebliche Menge der Wärme bereitstellen, welche für Zwecke des Hochfahrens gewünscht ist.
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In der vorliegenden Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelkreis, welcher dazu ausgebildet ist, Kühlmittel durch den Brennstoffzellenstapel zu zirkulieren, und ein Wärmetauschelement in dem Kühlmittelkreis, in welchem das Wärmetauschelement eine Wärmetausch-Oberfläche umfasst und Kühlmittel auf einer Seite der Wärmetausch-Oberfläche fließt. Das System umfasst des Weiteren einen Behälter, welcher einen Wasservorrat umfasst, und ein Wassersprüh-Teilsystem, welches dazu ausgebildet ist, Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter zu beziehen und das Wasser auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche zu sprühen. Speziell umfasst dann das Verfahren zum Hochfahren solch eines Brennstoffzellensystems von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts das Halten des Wasservorrats oberhalb der Gefriertemperatur vor dem Hochfahren, das Zirkulieren des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis (und folglich den Brennstoffzellenstapel und das Wärmetauschelement), das Beziehen von Wasser aus dem Wasservorrat in dem Behälter und das Sprühen des Wassers auf die andere Seite der Wärmetausch-Oberfläche, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist. Als ein Ergebnis des Verfahrens friert Wasser an die Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wobei das Kühlmittel erwärmt wird.
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Während des Hochfahrens kann eine Anfangs-Leistungsmenge aus dem Brennstoffzellenstapel bezogen werden, während das Brennstoffzellensystem auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist. Alternativ kann das Beziehen der Leistung verschoben werden, bis das System oberhalb des Gefrierpunkts ist, um das Erzeugen von Wasser in dem Stapel aus den elektrochemischen Reaktionen zu verhindern, welche darin stattfinden.
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Um den Wasservorrat vor dem Hochfahren oberhalb der Gefriertemperatur zu halten, ist der Wasservorratsbehälter thermisch gut isoliert (zum Beispiel Vakuum ummantelter Behälter). Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem einen elektrischen Heizer umfassen, welcher in thermischem Kontakt mit dem Wasservorrat ist. Wärme von dem elektrischen Heizer kann so verwendet werden, um den Wasservorrat oberhalb des Gefrierpunkts zu halten.
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In einer Ausführungsform wird auch das Wassersprüh-Teilsystem vor dem Hochfahren oberhalb der Gefriertemperatur gehalten. Dies kann ebenso erreicht werden, indem der oben erwähnte elektrische Heizer (oder ein anderer Heizer) verwendet wird, wenn er dazu ausgebildet ist, in ausreichendem thermischem Kontakt mit dem Wassersprüh-Teilsystem zu sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann dem Wassersprüh-Teilsystem erlaubt werden, auf dieselbe Temperatur unter Null zu fallen wie der Rest des Brennstoffzellensystems. Hier kann jedoch das Wassersprüh-Teilsystem von Wasser entleert werden, bevor das Brennstoffzellensystem einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ausgesetzt wird. Auf diese Weise ist vor dem Hochfahren kein zu gefrierendes Wasser in dem Wassersprüh-Teilsystem vorhanden.
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Das Wassersprüh-Teilsystem kann eine Wasserpumpe und eine Sprühdüse umfassen. Die Wasserpumpe kann in wünschenswerter Weise selbstansaugend sein, insbesondere in Ausführungsformen, in welchen das Wassersprüh-Teilsystem gelegentlich von Wasser entleert wird.
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Das Verfahren der Erfindung ist im Allgemeinen zur Verwendung in Systemen geeignet, welche Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel umfassen. Zum Beispiel kann das Verfahren für eine Verwendung in einem luftgekühlten Brennstoffzellensystem in Betracht gezogen werden, welches typischerweise einen Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel einsetzt. In solch einer luftgekühlten Möglichkeit wird typischerweise Umgebungsluft erhalten und sowohl als Oxidationsmittel als auch Kühlmittel verwendet. Wenn das vorliegende Verfahren verwendet wird, kann das Wärmetauschelement hier die Oxidationsmittel/Kühlmitteldurchgänge in dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem sein. Das Verfahren ist jedoch insbesondere geeignet für eine Verwendung in automobilen Brennstoffzellensystemen, in welchen typischerweise wässrige Frostschutz-Flüssigkühlmittel eingesetzt werden.
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In einer automobilen Ausführungsform kann eine ausreichende Menge an latenter Wärme zum Hochfahren von einem Wasservorrat erwartet werden, welcher mehr als oder etwa 0,03 Liter Wasser pro kW Leistungsvermögen von dem Brennstoffzellenstapel umfasst. In bestimmten zweckmäßigen Ausführungsformen kann der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfassen.
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Oft können automobile Brennstoffzellensysteme bereits Elemente in ihrem Kühlmittelkreis umfassen, welche als geeignete Wärmetauschelemente für das vorliegende Verfahren dienen. Solche Elemente können wenige bis gar keine Abänderungen benötigen, um ein geeignetes Sprühwasser-Teilsystem aufzunehmen. Alternativ kann ein Element für Zwecke des vorliegenden Verfahrens in den Kühlmittelkreis eingebracht werden.
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Elemente, welche oft in Kühlmittelkreisen auftauchen und welche als Wärmetauschelemente dienen, können umfassen: einen Kontaktbefeuchter, einen Ladeluftkühler und/oder einen Kühler. Typischerweise ist ein Kontaktbefeuchter sowohl in dem Kühlmittelkreis als auch in einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Ein Ladeluftkühler kann in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, welche einen Luftverdichter zum Bereitstellen von verdichteter Luft an einem Oxidationsmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels umfassen. Der Ladeluftkühler ist zwischen dem Luftverdichter und dem Oxidationsmitteleinlass angeordnet. Ein Kühler ist an einer geeigneten Stelle in dem Kühlmittelkreis angeordnet, um Wärme in die Umgebung abzugeben.
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Auf gleiche Weise kann das Brennstoffzellensystem Elemente enthalten, welche zum Teil als Wasservorrat, Behälter und/oder Wassersprüh-Teilsystem für das vorliegende Verfahren dienen können. Zum Beispiel kann, wie unten veranschaulicht, ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, welches ein U-förmiges Rohr umfasst, welches mit Wasser gefüllt ist, um eine Niederdruck-Dichtung eines Oxidationsmittelauslasses des Brennstoffzellenstapels des Systems bereitzustellen. Der Wasservorrat, der Behälter und das Sprühwasser-Teilsystem der vorliegenden Erfindung können elegant in solch eine Anordnung integriert werden ohne eine große Abänderung des Brennstoffzellensystems.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängte Figur und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften automobilen Brennstoffzellensystems, welches von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts hochgefahren werden kann, indem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird.
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Ausführliche Beschreibung
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In dieser Beschreibung sollen Worte wie „ein” und „umfasst” in einem offenen Sinn aufgefasst werden, und sie sollen in der Bedeutung von wenigstens ein aber nicht beschränkt auf nur ein verstanden werden.
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Vorliegend soll in einem quantitativen Kontext der Ausdruck „etwa” als im Bereich von bis zu plus 10% und bis zu minus 10% liegend aufgefasst werden.
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Das Verfahren der Erfindung nutzt die latente Kristallisationswärme, welche in einem Wasservorrat zur Verfügung steht, welcher oberhalb einer Gefriertemperatur gehalten wird, um beim Erwärmen und so beim Hochfahren eines Brennstoffzellensystems von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu unterstützen. Wasser aus dem Vorrat wird auf eine geeignete Wärmetausch-Oberfläche in einem Wärmetauschelement oder in Elementen gesprüht, durch welches oder welche Kühlmittel aus einem Brennstoffzellenstapel-Kühlmittelkreis zirkuliert. Das Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel durch die Wärmetausch-Oberfläche hindurch ausgetauscht, wodurch das Erwärmen des Kühlmittels erfolgt oder erheblich unterstützt wird und das Brennstoffzellensystems hochgefahren wird.
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Ein beispielhaftes automobiles Brennstoffzellensystem, welches hochgefahren werden kann, indem das Verfahren der Erfindung verwendet wird, ist schematisch in 1 gezeigt. Wie gezeigt umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel 2, welcher einen Reihenstapel von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen umfasst. Umgebungsluft wird als der Oxidationsmittelvorrat verwendet und wird mittels eines Verdichters 10 verdichtet und einem Oxidationsmitteleinlass 3a des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt. Diese Luft kann als ein Ergebnis des Komprimierens erheblich erwärmt werden, und sie wird zuerst gekühlt, wenn sie so erwärmt wurde, indem sie durch einen Ladeluftkühler 11 (an einem Einlass 11a) geführt wird, und dann wird sie zu einem Kontaktbefeuchter 12 (an einem Einlass 12a) geführt, wo sie befeuchtet wird, bevor sie schließlich dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird. An Sauerstoff verarmte Luft und als Nebenprodukt Wasserdampf und flüssiges Wasser werden von dem Brennstoffzellenstapel 2 an einem Oxidationsmittelauslass 3b abgegeben. Das in 1 gezeigte System setzt ein optionales U-förmiges Rohr 7 ein, welches mit flüssigem Wasser 8 gefüllt ist, um als einfache Niederdruck-Dichtung für den Oxidationsmittelauslass 3b des Stapels zu dienen, wenn der Stapel heruntergefahren und nicht betrieben wird. Über ein Ventil 9 kann Wasser dem U-förmigen Rohr 7 zugeführt oder von diesem abgelassen werden. Nach dem Durchströmen des U-förmigen Rohrs 7 wird das Oxidationsmittelabgas verwendet, um den Verdichter 10 anzutreiben, und es wird dann in die Umgebung abgegeben. (Der Brennstoffvorrat, Einlässe und Auslässe sowie typische Rezirkulationsgerätschaften in dem Brennstoffzellensystem wurden aus Gründen der Einfachheit aus 1 weggelassen.)
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Die Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 2 umfassen (nicht gezeigte) Kühlmittel-Strömungsfelder, welche auf geeignete Weise mit (nicht gezeigten) Kühlmittelsammelleitungen innerhalb des Stapels 2 verbunden sind. Während des normalen Betriebs wird ein zirkulierendes Kühlmittel verwendet, um Wärme abzuführen, welche innerhalb des Stapels erzeugt wird. Beim Starten von einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts kann das zirkulierende Kühlmittel genutzt werden, um den Stapel 2 zu erwärmen, wenn das Kühlmittel extern erwärmt wird. Das eingesetzte Kühlmittel ist typischerweise eine wässrige Lösung, welche eine geeignete Frostschutzflüssigkeit (zum Beispiel Ethylenglykol) umfasst, und welche in der Lage ist, die niedrigsten zu erwartenden Umgebungstemperaturen ohne ein Gefrieren auszuhalten.
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Das Kühlmittel wird dem Stapel 2 an einem Kühlmitteleinlass 4a zugeführt, innerhalb zirkuliert und dann an einem Kühlmittelauslass 4b abgeführt. Das Kühlmittel zirkuliert außerhalb des Stapels 2 durch einen Kühlmittelkreis 5. Eine Kühlmittelpumpe 21 wird verwendet, um das zirkulierende Kühlmittel zu fördern. Während des normalen Betriebs wird das Kühlmittel, welches innerhalb des Stapels 2 erwärmt wurde, zu einem Kühler 14 geführt, wo an einer Wärmetausch-Oberfläche 6c Wärme in die Umgebung abgeführt wird. Dann wird, wie in 1 gezeigt, das Kühlmittel dem Ladeluftkühler 11 zugeführt, wo es verwendet wird, um die hereinkommende Luft zu kühlen, wenn diese als ein Ergebnis des Verdichtens in dem Verdichter 10 erheblich erwärmt wurde. Die Oberfläche, wo die hereinkommende Luft gekühlt wird, und wo der Wärmeaustausch in dem Ladeluftkühler 11 stattfindet, ist als eine Wärmetausch-Oberfläche 6b gezeigt. Das Kühlmittel wird als nächstes dem Kontaktbefeuchter 12 zugeführt, welcher verwendet wird, um die hereinkommende Luft zu befeuchten, welche von dem Ladeluftkühler 11 kommt. Im Kontaktbefeuchter 12 wird die Befeuchtung bewerkstelligt, indem Wasser oder Wasserdampf direkt in den hereinkommenden Luftstrom und/oder auf eine beheizte Oberfläche gesprüht wird, wo es verdampft. Wie in 1 gezeigt, ist in dem Kühlmittelkreis 5 innerhalb des Kontaktbefeuchters 12 eine Oberfläche 6a bereitgestellt, und sie dient als eine beheizte Oberfläche für Befeuchtungszwecke während des normalen Betriebs und als eine Wärmetausch-Oberfläche 6a während des Hochfahrens in der vorliegenden Erfindung.
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Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zusätzlich ein Wassersprüh-Teilsystem 20, welches einen thermisch isolierten Behälter 15 (zum Beispiel einen Vakuum ummantelten Behälter) umfasst, welcher einen Wasservorrat 16 enthält, welcher oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird. Eine Sprühleitung 17 ist in dem Behälter 15 angeordnet, um Zugang zu dem Wasservorrat 16 zu haben. Eine selbstansaugende Pumpe 22 ist in der Sprühleitung 17 vorgesehen, um Wasser aus dem Vorrat 16 zu einer Sprühdüse 18 zu pumpen, welche innerhalb des Kontaktbefeuchters 12 angeordnet ist. Wie abgebildet ist die Sprühdüse 18 dazu ausgebildet, Wasser auf die Wärmetausch-Oberfläche 6a für Zwecke des Hochfahrens des Systems 1 gemäß der Erfindung zu sprühen. Jedoch kann Sprühwasser aus der Sprühdüse 18, wenn diese geeignet ausgebildet ist, wie dies schematisch in 1 gezeigt ist, auch als Befeuchtungswasser für den Kontaktbefeuchter 12 während des normalen Betriebs verwendet werden oder zusätzlich zu Befeuchtungswasser, welches mit anderen Mitteln bereitgestellt wird. Zusätzlich ist ein elektrischer Heizer 19 vorgesehen, welcher mit dem Behälter 15 und dem Wasservorrat 16 in thermischem Kontakt ist.
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Während des normalen Betriebs wird der Brennstoffzellenstapel 2 typischerweise bei Temperaturen deutlich über der Umgebung (zum Beispiel 80°C) betrieben. Die Kühlmittelpumpe 21 pumpt die Frostschutzflüssigkeit, so dass diese in dem Kühlmittelkreis 5 zirkuliert und Wärme abführt, welche in dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugt wird. Diese Wärme wird dann von dem Kühlmittel in die Umgebung über den Kühler 14 abgegeben. Das vom Kühler gekühlte Kühlmittel wird dann in dem Ladeluftkühler 11 verwendet, um übermäßige Wärme (sofern diese als ein Ergebnis des Verdichtens vorhanden ist) von dem hereinkommenden Oxidationsmittel Luft abzuführen. Das Kühlmittel, welches den Ladeluftkühler 11 verlässt, tritt dann in den Kontaktbefeuchter 12 ein und wird über die Wärmetausch-Oberfläche 6a geführt. Hier wird das Kühlmittel verwendet, um das Wasser zu erwärmen, welches auf die Wärmetausch-Oberfläche 6a gesprüht wird, so dass es dabei unterstützt, das Wasser zu verdampfen und das hereinkommende Oxidationsmittel Luft zu befeuchten. Nach dem Verlassen des Kontaktbefeuchters 12 wird das Kühlmittel zurück zu dem Brennstoffzellenstapel 2 geführt.
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Des Weiteren dient während des normalen Betriebs der Wasservorrat 16 als ein Wasservorrat für die Befeuchtung in dem Kontaktbefeuchter 12. Das flüssige Wasser 8 in dem U-förmigen Rohr 7 sorgt lediglich für einen mäßigen Gegendruck oder eine Einschränkung des Stroms von Oxidationsmittelabgas aus dem Oxidationsmittelauslass 3b.
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Wenn das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren, aufbewahrt und/oder bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes hochgefahren werden soll, ist die Pumpe 22 typischerweise ausgeschaltet. Jedoch können das flüssige Wasser 8, der Wasservorrat 16 und der Rest des Sprühwasser-Teilsystems 20 so gelassen werden wie sie sind, und der elektrische Heizer 19 braucht nicht eingesetzt zu werden. In dieser Situation stellt das flüssige Wasser 8 in dem U-förmigen Rohr 7 eine Niederdruck-Dichtung für den Oxidationsmittelauslass 3b bereit und verhindert ein Eintreten von Umgebungsluft in den Brennstoffzellenstapel 2.
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Wenn jedoch erwartet wird, dass das Brennstoffzellensystem 1 Temperaturen unter Null erfährt, wenn es heruntergefahren, aufbewahrt und/oder hochgefahren wird, werden Schritte unternommen, um ein Gefrieren des Wassers in dem U-förmigen Rohr 7 und dem Wassersprüh-Teilsystem 20 vor diesen Ereignissen zu verhindern. Beispielsweise kann, wie in 1 gezeigt, das flüssige Wasser 8 über das Ventil 9 in den Behälter 15 abgelassen werden und so ein Gefrieren von Wasser in dem U-förmigen Rohr 7 verhindern. (Selbstverständlich dient das U-förmige Rohr 7 nun nicht länger dazu, den Oxidationsmittelauslass 3b gegenüber der Umgebung abzudichten. Wenn dies nicht hinnehmbar ist, kann es notwendig sein, andere Mittel einzusetzen, um den Oxidationsmittelauslass 3b abzudichten). Des Weiteren kann Wasser aus der Sprühdüse 18, der selbstansaugenden Pumpe 22 und der Sprühleitung 17 in den Behälter 15 abgelassen werden. Dieses gesamte abgelassene Wasser und der Rest des Wasservorrats 16 werden mittels der Wärme, welche von dem elektrischen Heizer 19 bereitgestellt wird, oberhalb der Gefriertemperatur gehalten. Geeignete (nicht gezeigte) Gerätschaften zum Erfassen und Regeln der Temperatur können verwendet werden, um sicherzustellen dass der Wasservorrat 16 nicht einfriert, ohne dass übermäßig viel elektrische Energie verwendet wird.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform dient der Kühlmittelbefeuchter 12 als das Wärmetauschelement für Zwecke der Erfindung. Während des Hochfahrens von einer Temperatur unter Null wird die Kühlmittelpumpe 21 gestartet, und das Kühlmittel wird erneut durch den Kühlmittelkreis 5 und so durch den Brennstoffzellenstapel 2 zirkuliert. Das Kühlmittel fließt auch auf einer Seite der Wärmetausch-Oberfläche 6a in dem Kontaktbefeuchter 12. Die selbstansaugende Pumpe 22 wird ebenso gestartet, und Wasser oberhalb der Gefriertemperatur wird aus dem Flüssigwasservorrat 16 gepumpt und aus der Sprühdüse 18 auf die Wärmetausch-Oberfläche 6a gesprüht. Das versprühte Wasser friert an der Wärmetausch-Oberfläche 6a an, und die Kristallisationswärme wird mit dem zirkulierenden Kühlmittel ausgetauscht, wobei sie es erwärmt. Das erwärmte Kühlmittel wird dann wiederum dem Kühlmitteleinlass 4a zugeführt, wo es nun den Brennstoffzellenstapel 2 erwärmt.
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Das Verfahren wird dann fortgesetzt, bis das Kühlmittel und der Brennstoffzellenstapel 2 beinahe Null Grad erreicht haben, wobei anschließend beispielsweise Wärme vom Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 den Rest des Systems oberhalb des Gefrierpunktes und auf normale Betriebstemperatur bringen kann. So kann eine Anfangs-Leistungsmenge aus dem Brennstoffzellenstapel 2 bezogen werden, während das System gerade unterhalb des Gefrierpunkts ist.
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Obwohl 1 und die vorstehende Beschreibung eine mögliche Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen, wird der Fachmann feststellen, dass andere Systemanordnungen und/oder andere Vorgehensweisen des Hochfahrens in Betracht gezogen werden können. Beispielsweise kann das Wärmetauschelement, welches während des Hochfahrens verwendet wird, der Ladeluftkühler 11, der Kühler 14 oder ein zusätzliches bestimmtes Element in dem System sein oder zusätzlich umfassen. In solch einem Fall wäre das Wassersprüh-Teilsystem 20 dazu ausgebildet, Wasser auf die Oberflächen 6b, 6c und/oder auf eine geeignete Oberfläche in dem (nicht gezeigten) zusätzlichen bestimmten Element zu sprühen. Des Weiteren braucht das optionale U-förmige Rohr 7 nicht eingesetzt zu werden. Darüber hinaus kann der elektrische Heizer 19 oder ein zusätzlicher elektrischer Heizer dazu ausgebildet sein, auch den Rest des Wassersprüh-Teilsystems 20 zu erwärmen, so dass das Wasser nicht aus diesem abgelassen zu werden braucht, und auch die Verwendung einer Pumpe 22 vorzusehen, welche nicht selbstansaugend ist. Und noch darüber hinaus kann zusätzliche Wärme für Zwecke des Hochfahrens über andere Mittel erhalten werden, welche dem Fachmann bekannt sind. So braucht zum Beispiel Leistung nicht aus dem Brennstoffzellenstapel 2 bezogen zu werden, bis dieser eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts erreicht hat.
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Vielleicht überraschenderweise zeigen Berechnungen, dass erwartet werden kann, dass eine bescheidene Menge an Wasser eine ausreichende Menge an latenter Wärme für das Hochfahren eines typischen automobilen Brennstoffzellenstapels bereitstellt. Zum Beispiel kann ein Wasservorrat, welcher mehr als oder etwa 0,03 Liter pro kW des Leistungsvermögens von dem Brennstoffzellenstapel umfasst und oberhalb der Gefriertemperatur gehalten wird, eine ausreichende Menge an latenter Wärme haben. In bestimmten zweckmäßigen Ausführungsformen kann daher der Wasservorrat weniger als oder etwa 2 Liter Wasser umfassen.
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Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.
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Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Zum Beispiel ist es möglich, obwohl die vorstehende Beschreibung hauptsächlich auf flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellensysteme gerichtet war, die offenbarten Verfahren für luftgekühlte oder andere Brennstoffzellensysteme ebenso in Betracht zu ziehen. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CA 2424172 [0004]
- JP 2005251463 [0006]
