DE102017116816A1

DE102017116816A1 - Brennstoffzellenspülsystem und -verfahren

Info

Publication number: DE102017116816A1
Application number: DE102017116816.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel E. Wilkosz
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2018-02-01
Also published as: US20180034082A1; CN107666001A

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels umfasst, vor dem Abschalten, Strömenlassen eines Trockenspülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss der Brennstoffzellenstapeleinheitszelle, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, und anschließend Strömenlassen des Trockenspülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss, um Wasser weiter aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellenspülsystem und ein Verfahren zum Betreiben desselben.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Während des Betriebs von Brennstoffzellen wird Wasser als Nebenprodukt produziert. Die Handhabung des produzierten Wassers ist kritisch für die Leistung der Brennstoffzelle, insbesondere bei Betriebsbedingungen von unter null Grad Celsius. Während des Betriebs und des Abschaltens wird die Handhabung des produzierten Wassers durch Drängen/Abführen/Drücken des Wassers nach außen durch Austrittskanalgeometriemerkmale und in Krümmeranschlussöffnungen eines Brennstoffzellenstapels durchgeführt. Typische Wasserhandhabung beinhaltet Abführen des Wassers über Durchlässe, die dem Brennstoffzellenstapel nachgelagert sind. Diese Durchlässe dienen als ein Ventil, welches die Freisetzung des Wasser aus den Stapeleinheitszellen steuert, während gewünschte Betriebsdrücke innerhalb des Brennstoffzellenstapels aufrechterhalten werden. Beim Betrieb bei niedrigen Temperaturen kann Restwasser, welches nicht während des Abschaltens des Brennstoffzellenstapels entfernt wurde, jedoch in den Durchlässen oder in anderen Bereichen der Brennstoffzelle mit kleinen Querschnittsflächen gefrieren. Die resultierende Bildung von Eis kann eine Blockierung von mindestens einem Abschnitt der Durchlässe bewirken, wodurch der Ström von Kraftstoff und Oxidationsmittel beschränkt oder verhindert wird, was somit den Betrieb des Brennstoffzellenstapels hemmt, insbesondere beim Starten. Ausreichende Entfernung des Wassers während des Abschaltens des Brennstoffzellenstapels ist entscheidend, um derartige Eisblockierungsszenarien zu minimieren.
KURZDARSTELLUNG
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren kann, vor dem Abschalten, Strömenlassen eines Spülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss der Brennstoffzellenstapeleinheitszelle, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, und anschließend Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss umfassen, um Wasser weiter aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, um die Bildung einer Wasserblockierung in Auslasskanälen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern oder beides. Das Verfahren kann ferner Betreiben eines Zweiwegeventils beinhalten, um einen Anfangsstrom des Spülgases von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss umzuleiten, um in die entgegengesetzte Richtung zu strömen. Verfahren kann Freisetzten des Spülgases aus demselben unter Druck stehenden Behälter beinhalten, um in beide Richtungen zu strömen. Das Freisetzen des Spülgases kann als eine diskontinuierliche Freisetzung in Impulsen erfolgen. Das Verfahren kann Aufbrechen von Wassertröpfchenansammlung, Wasserreservoiren oder beidem beinhalten, um einen Film von dispergierten Wassermolekülen zu bilden, während das Spülgas von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss strömt. Der Brennstoffzellenstapel kann eine scheibenförmige Brennstoffzellenstapelorientierung aufweisen. Das Verfahren kann Strömenlassen des Spülgases von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss für einen längeren Zeitraum als das Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss beinhalten.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren kann wiederholt Strömenlassen des Spülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss einer Brennstoffzellenstapeleinheitszelle für einen gewissen Zeitraum beinhalten, gefolgt vom Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen. Das Verfahren beinhaltet Betreiben eines Zweiwegeventils, um einen Anfangsstrom des Spülgases von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss umzuleiten, um in die entgegengesetzte Richtung zu strömen. Verfahren kann ebenfalls Freisetzten des Spülgases aus demselben unter Druck stehenden Behälter beinhalten, um in beide Richtungen zu strömen. Das Freisetzen des Spülgases kann als diskontinuierliche Freisetzung in Impulsen erfolgen. Das Verfahren kann Aufbrechen von Wassertröpfchenansammlung, Wasserreservoiren oder beidem beinhalten, um einen Film von dispergierten Wassermolekülen zu bilden, während das Spülgas von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss strömt. Der Brennstoffzellenstapel kann eine scheibenförmige Brennstoffzellenstapelorientierung aufweisen. Das Verfahren kann ebenfalls Strömenlassen des Spülgases von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss für einen längeren Zeitraum als das Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss beinhalten.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein alternatives Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren kann wiederholt Strömenlassen eines Trockenspülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss einer Brennstoffzellenstapeleinheitszelle für einen gewissen Zeitraum beinhalten, gefolgt vom wiederholten Strömenlassen des Trockenspülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen. Das Verfahren kann mindestens zweimal Strömenlassen von Trockenspülgas von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss und anschließend mindestens zweimal Strömenlassen von Trockenspülgas von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss beinhalten. Der Zeitraum kann etwa 1 bis 15 Minuten betragen. Das Verfahren kann ferner diskontinuierliches Freisetzen des Trockenspülgases in Impulsen beinhalten. Das Verfahren kann ebenfalls Aufbrechen von Wassertröpfchenansammlung, Wasserreservoiren oder beidem beinhalten, um einen Film von dispergierten Wassermolekülen zu bilden, während das Spülgas von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss strömt. Der Brennstoffzellenstapel kann eine scheibenförmige Brennstoffzellenstapelorientierung aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 bildet eine auseinandergezogene schematische Ansicht einer beispielhaften Brennstoffzellenstapelzelleneinheit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ab;
2 bildet eine beispielhafte Einheitszellenkathoden- oder -anodenseite einer Brennstoffzellenbipolarplatte und die Strömungsrichtung des Spülgases durch die Brennstoffzelleeinheit schematisch ab;
3A bildet eine vergrößerte schematische Ansicht eines Auslasskanals ab, der in einen in 2 abgebildeten offenen Abgasanschluss führt, wobei sich Wasser an den Seiten des Kanals ansammelt;
3B stellt eine vergrößerte schematische Ansicht eines in 2 abgebildeten Auslasskanals ab, wobei eine Wassermassenbildung den Auslasskanal verstopft;
4 bildet eine vergrößerte schematische Ansicht einer Vielzahl von Auslasskanälen ab, wobei sich ein Wassertröpfchen an dem Endabschnitt einer Rippe gebildet hat und dort liegt, welche zwei Kanäle trennt;
Die 5A–5C bilden alternative Stapelorientierungen von individuellen Brennstoffzelleeinheiten in Brennstoffzellenstapel ab; und
Die 6A–6C bilden alternative Ausführungsformen eines Brennstoffzellenspülsystems ab, das einen Rückwärtsspülzyklus enthält, einschließlich eines Brennstoffzellenstapels, der mit mindestens einer Spülgasquelle verbunden ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Demnach sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann die vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Der Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass verschiedene Merkmale, die in Bezug auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, welche in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die veranschaulichten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind alle numerischen Mengen in dieser Beschreibung, die Maße oder Materialeigenschaften angeben, bei der Beschreibung des breitesten Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung als durch das Wort „etwa” modifiziert zu verstehen.
Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen dieser Abkürzung hier und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dasselbe Verfahren, das vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde, bestimmt.
Die Beschreibung einer Gruppe oder Klasse von Materialien als für einen gegebenen Zweck in Verbindung mit einer oder mehreren Ausführungsformen geeignet impliziert, dass Mischungen aus beliebigen zwei oder mehr der Elemente der Gruppe oder Klasse geeignet sind. Die Beschreibung von Bestandteilen mit chemischen Fachbegriffen bezieht sich auf die Bestandteile zum Zeitpunkt des Hinzufügens zu einer beliebigen in der Beschreibung spezifizierten Kombination und schließt nicht zwingend chemische Interaktionen zwischen Bestandteilen der Mischung, sobald diese vermischt ist, aus. Die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle folgenden Verwendungen dieser Abkürzung hier und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der ursprünglich definierten Abkürzung. Sofern nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges angegeben ist, wird die Messung einer Eigenschaft durch dasselbe Verfahren, das vorher oder später für dieselbe Eigenschaft angegeben wurde, bestimmt.
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, welche chemische potentielle Energie aus einem Kraftstoff, zumeist Wasserstoff, durch Dissoziation des Wasserstoffs in elektrische Energie umwandeln, wenn er einem Katalysator ausgesetzt wird. Wasser als Nebenprodukt der Brennstoffzelle resultiert aus der chemischen Reaktion zwischen den positiv geladenen Wasserstoffionen, Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel und freien Elektronen. Brennstoffzellen sind in der Lage, Elektrizität zu erzeugen, sofern ihnen der Brennstoff und Sauerstoff kontinuierlich zugeführt werden. Es sind viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen entwickelt worden, und sie werden verwendet, um viele verschiedene Fahrzeuge anzutreiben. Beispielhafte Arten von Brennstoffzellen umfassen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, PEMFC), Phosphorsäurebrennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC), alkalische Brennstoffzellen (Alkaline Fuel Cells, AFC), Festoxidbrennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC), Direktmethanolbrennstoffzellen (Direct Methanol Fuel Cells, DMFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC) usw.
Jede Brennstoffzelle beinhaltet eine oder mehrere Einheitszellen 10, die mehrere Komponenten beinhalten, die aneinander angrenzen. Eine beispielhafte PEM-Einheitszelle 10 ist in 1 abgebildet und beinhaltet eine Katalysator-Gasdiffusionsschicht (Gas Diffusion Layer, GDL) auf der Anodenseite, hier ebenfalls als die Anodenplatte oder Anodenplattenhälfte 24' bezeichnet, Membranelektrodenanordnung (Membrane Electrode Assembly, MEA) 14 und eine Katalysator-GDL auf der Kathodenseite. hier ebenfalls als Kathodenplatte oder Kathodenplattenhälfte 24'' bezeichnet. Es liegt ein Elektrolyt vor, der elektrisch geladene Partikel zwischen den beiden Elektroden transportiert: der Kathode und der Anode. Typischerweise beinhaltet die MEA 14 eine PEM 18, zwei Katalysatorschichten 20 und zwei GDLs 22.
Wenn ein unter Druck stehender Kraftstoff an der Anodenseite 24' bei dem Einlasskrümmeranschluss 26 in die Brennstoffzelle gelangt, wird der Kraftstoff Dissoziation unterzogen, was zu positiv geladenen Wasserstoffionen und Elektronen führt. Die positiv geladenen Wasserstoffionen wandern durch den Elektrolyten, während die Elektronen von der Anodenbipolarplatte 24' über einen äußeren Stromkreis zu der Kathodenbipolarplatte 24'', wie in 1 abgebildet, wandern, wodurch Gleichstromelektrizität erzeugt wird. Wird Wechselstrom benötigt, so kann die Gleichstromabgabe durch einen Wechselrichter geleitet werden. Sauerstoff tritt über die Kathodenseite 24'' einer Bipolarplatte ein, verbindet sich mit den Elektronen, die aus dem elektrischen Stromkreis zurückkehren, und den Wasserstoffionen, wie in 1 gezeigt, um Wasser zu erzeugen. Je nach Art des verwendeten Elektrolyten kann der mit den Elektronen kombinierte Sauerstoff den Elektrolyten durchwandern und sich mit den Wasserstoffionen an der Anode 24' verbinden.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle, wenn sich Sauerstoff und Wasserstoffionen verbinden, werden neben Wasser freie Elektronen erzeugt. Das erzeugte Wasser kann sich an der Anodenseite 24' und der Kathodenseite 24'' der Brennstoffzellenstapeleinheitszellen ansammeln. Das Vorhandensein von Wasser birgt das Potenzial der Eisbildung ist somit ein akutes Problem bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter 0°C. Wenn die Brennstoffzellenspülverfahren Wasser während des Abschaltens nicht adäquat aus dem Stapel entfernen, kann das Restwasser gefrieren, Eisbildung und folglich Blockierungen der Abgasströmung bewirken, wodurch der Betrieb und die Leistung des Stapels besonders während des Kaltstarts gehemmt werden.
Somit muss Restwasser in der Form von Tröpfchen, Filmen oder Pfropfen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels vor dem Abschalten abgeführt werden. Typischerweise wird Restwasser durch Spülen aus dem Brennstoffzellenstapel durch Strömenlassen eines Spülgases, wie zum Beispiel Wasserstoff, durch die Stapeleinheitszellen für einen vorbestimmten Zeitraum entfernt. Das Spülgas wird durch die Einheitszellen 10 von den Öffnungen des Einlasskrümmerkraftstoff- und -gasanschlusses 26 zu dem Abführanschluss 28 geleitet, wodurch Wasser aus dem Einheitszellenabführanschluss 28 heraus gedrängt wird. 2 bildet eine Platte 24', 24'' in einer horizontalen Orientierung und der Richtung a des Spülgasstroms von dem Einlasskrümmeranschluss 26 zu dem Auslasskrümmeranschluss 28 während des Spülens schematisch ab. Aufgrund der Kapillarwirkung von Wasser kann sich Wasser entlang der Einheitszellenflächen sammeln, wie zum Beispiel die Auslasskanäle 30 der Bipolarplatte, die zu den Öffnungen des Auslasskrümmeranschlusses 28 führen.
Wenn die Spülzeit nicht ausreichend lang ist oder die Scherkraft des Spülgases nicht ausreicht, um die Oberflächenspannungsanziehungskräfte des Wassers zu überwinden, wenn das Einheitszellenwasser in Richtung der Auslassanschlüsse 28 während des Spülens geleitet wird, können sich Wassertröpfchen 31 entlang der Auslasskanäle 30 sammeln, sich entlang der Auslasskanäle 30 ansammeln und Abschnitte des oder den gesamten Auslassströmungspfad füllen und/oder blockieren, was in den 3A und 3B schematisch abgebildet ist. Die 3A und 3B zeigen einen beispielhaften Auslasskanal 30 mit Wasser 31, das sich in 3A an den Seiten des Kanals 30 ansammelt, und mit Wasser 31, das in 3B den gesamten Hohlraum des Kanals 30 blockiert.
Zusätzlich wird die Wasserspülung ebenfalls durch sie Interaktion des Wassers 31 mit der Geometrie der Platte 24', 24'' herausgefordert werden. Zum Beispiel kann sich Wasser 31 an den Seitenwänden, entlang der Seitenwände, hinter den Seitenwänden an den Kanälen, in den Kanälen oder einer Kombination davon der Merkmale der Platte 24', 24'' in der Spülgasströmungsrichtung a absetzen und/oder sammeln und dort nach dem Abschalten verbleiben, wie es in 4 schematisch abgebildet ist. 4 zeigt einen beispielhaften Abschnitt der Hinterseite einer Platte 24', 24'' mit Rippen 33, die individuelle Auskanäle 30 teilen, durch welche das Spülgas in der Richtung a strömt. 4 zeigt ferner ein Wassertröpfchen 31, welches sich bei dem Endabschnitt 35 einer Rippe 33 bildet, die zwischen zwei benachbarten Auslasskanälen 30 angeordnet ist.
Somit, um bei der Handhabung von Wasser beim Abschalten der Brennstoffzelle zu helfen, können Wasserabfluss- oder Eisabflussgeometriemerkmale in die Öffnungen des Krümmeranschlusses 26, 28 integriert sein, um beim Ableiten von Wasser 31 weg von den Auslasskanälen 30 zu helfen. Die Eisabflussmerkmale neigen dazu, sich direkt neben den Einlass- und Auskanalöffnungen zu befinden und können weiter entlang der Kanten der Anschlussöffnungen verlaufen. Typischerweise enthalten die Abflussmerkmale nach dem Spülen Wasser 31, da sie sich nicht im unmittelbaren Strömungspfad der Spülgase befinden und die Abflussmerkmale sich ebenfalls auf die Gravitation und Oberflächenspannung zum Entfernen von Wasser stützen. Beim Abschluss eines Spülzyklus können sich die Abflussmerkmale, die Reservoire für Wasser 31 sowie beliebiges anderes gesammeltes Wasser 31 bilden, das nicht vollständig aus den Brennstoffzellenstapelzelleneinheiten gespült wurde, in die Auslasskanäle 30 oder in andere Positionen der Platte 24', 24'' durch die kapillare oder gravimetrische Wirkung zurückziehen. Wenn Temperaturen von oder unter 0°C auftreten, kann das Wasser 31 gefrieren und starre Eisblockierungen für den Kraftstoff- und Luftstrom während des Anschaltens der Brennstoffzelle bilden. Das Starten beim gefrorenen Zustand erfordert, dass die Brennstoffzelle Hilfswärme erzeugt oder bereitstellt, um das Eis zu schmelzen, bevor sie einsatzbereit ist. Dies verzögert nicht nur die Verwendung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, sondern es kann ebenfalls die Nutzungsdauer der Brennstoffzellenkomponenten verkürzen oder anfängliche Leistungseigenschaften der Brennstoffzelle behindern.
Die vorstehend beschriebenen Wasserspülungsmerkmale werden typischerweise für Brennstoffzellenstapel verwendet, die in einer horizontalen oder vertikalen Orientierung konfiguriert sind, wie schematisch in den 5A und 5B abgebildet, für Brennstoffzellenstapel, die unter Verwendung von Co-Strömungsprinzipien, 5A–5C, oder Gegenströmungsprinzipien betrieben werden. 5A und 2 bilden einen horizontalen Brennstoffzellenstapel 32 ab, 5B bildet einen vertikalen Brennstoffzellenstapel 34 ab und 5C bildet einen vertikalen Kopfbrennstoffzellenstapel 36 ab. In den 5A–5C bezieht sich b auf die Kraftstoff-Gas-Strömung durch den Brennstoffzellenstapel, c bezieht sich auf die Sauerstoff-/Luftströmung und d bezieht sich auf die Kühlmittelströmung.
Die Orientierung des horizontalen 32 und vertikalen 34 Brennstoffzellenstapels hilft bei der Entfernung von Wasser durch Gravitationsdynamik, d. h., Wasser ström abwärts. Der vertikale Kopfbrennstoffzellenstapel 36, bei welchem eine Brennstoffzelleneinheit flach auf der Oberseite einer benachbarten Brennstoffzelleneinheit positioniert ist, kann ebenfalls als ein scheibenförmiger Brennstoffzellenstapelbezeichnet werden. Der scheibenförmige Brennstoffzellenstapel beinhaltet Bipolarplatten, die vertikal gestapelt sind, derart, dass die Strömungsfelder horizontal auf gleicher Ebene sind und die Köpfe vertikal sind. Anders als bei den Anschlussöffnungen ist der Einfluss der Gravitation auf die Entfernung von Wasser in dem vertikalen Kopfbrennstoffzellenstapel 36 minimal, da die Brennstoffzelleneinheiten flach sind und das Spülen des Wassers kritischer abgeschlossen wird. Die flache scheibenförmige Orientierung behindert ebenfalls den Vorteil der Verwendung von Wasserabflüssen.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen ein Verfahren zum Lösen von einem oder mehreren der vorstehend identifizierten Probleme bereit. Um bei der Entfernung von Wasser zu helfen und/oder beim Dispergieren/Verteilen von Restwasser innerhalb einer Brennstoffzellenstapeleinheitszelle 10 zu helfen, um die Bildung von Eis vor dem Abschalten zu minimieren oder zu eliminieren, wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung einer Rückwärtsspülpraktik oder -prozedur.
In mindestens einer Ausführungsform wird nach einer standardmäßigen Spülprozedur eines Brennstoffzellenstapels während des Abschaltens eine zusätzliche Spülprozedur durchgeführt. Das Verfahren beinhalten somit Strömenlassen eines Spülgases von einem Einlasskrümmeranschluss oder einem Einlassanschluss 26 zu einem Auslasskrümmeranschluss oder einem Auslassanschluss 28 der Brennstoffzellenstapeleinheitszelle(n), um Wasser 31 aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, gefolgt vom Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26, um Wasser weiter aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, um die Bildung einer Wasserblockierung in Auslasskanälen 30 des Brennstoffzellenstapels zu verhindern oder beides. Der Auslassanschluss 28 und der Einlassanschluss 26 können sich auf den Kathoden- und/oder Anodeneinlass- und -auslassanschluss beziehen.
Das Hinzufügen des Rückwärtsspülzyklus kann beliebiges Restwasser entfernen oder verdrängen, welches bei dem Auslassanschluss 28 der Platte 24', 24'' zurückbleibt. Der Rückwärtsspülzyklus in dieser Offenbarung betrifft das Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26. Der anfängliche Spülzyklus in dieser Offenbarung betrifft das Strömenlassen des Spülgases von dem Einlassanschluss 26 zu dem Auslassanschluss 28. Das entfernte oder verdrängte Wasser kann dann bei dem Einlassanschluss 26 aus der Brennstoffzelle gedrängt werden. Der Rückwärtsspülzyklus kann beliebiges Restwasser ebenfalls entlang der Merkmale der Platte 24', 24'' verteilen oder ausbreiten. In einer derartigen Ausführungsform kann das gesamte Restwasser verteilt werden und kein Wasser kann aus dem Einlassanschluss 26 gedrängt werden. Jede Wassermassenansammlung, wie zum Beispiel ein großes Wassertröpfchen oder ein Reservoir, das in der Lage ist, einen Auslasskanal 30 zu blockieren und das sich während und/oder nach dem anfänglichen Spülzyklus aufgrund der nicht ausreichenden Spülkraft der Geometriemerkmale der Platte 24', 24'' gebildet haben kann, wird in kleinere Wassereinheiten aufgebrochen. Ein großes Wassertröpfchen bezieht sich auf eine Wassereinheit einer derartigen Größe, die Versperrung oder Blockierung des Strömungspfads und/oder Blockierung beim Gefrieren bewirken kann. Die kleineren Wassereinheiten werden dann verteilt oder entlang der Merkmale der Platte 24', 24'' ausgebreitet, wie zum Beispiel die Auslasskanäle 30, die Einlasskanäle 37, in der Richtung e, die in 2 abgebildet ist und die der Richtung a entgegengesetzt ist. Die kleineren Wassereinheiten können einen dünnen film ausbilden. Der Film kann nur so dick sein, dass er die Auslasskanäle 30, Einlasskanäle 37 und/oder den Strömungspfad nicht blockiert. Wenn Frostgefahr besteht, würde Eis, das aus dem dünnen Film resultiert, den Gasstrom nicht völlig blockieren.
Alternativ kann mindestens ein Teil des Wassers 31 kleinere Wassereinheiten derartiger Abmessungen ausbilden, die es den kleineren Wassereinheiten nicht ermöglichen, den Gasstrom in den Kanälen 30, 37 zu blockieren. Die kleineren Wassereinheiten können feine Wassertröpfchen sein. Die Kraft des Rückwärtsspülzyklusstroms sollte ausreichen, um jede große Wasseransammlung, wie zum Beispiel die in 3B abgebildete Wasserblockierung, in kleinere Wassereinheiten aufzubrechen oder das Wasser vollständig aus der Brennstoffzelleneinheit zu verdrängen, indem die aufgebrochene Wasserblockierung über den Einlassanschluss 26 aus der Brennstoffzelle gedrängt wird.
Als eine Folge kann die Menge an Wasser 31, die in den Einlass- und/oder Auslasskanälen 30, 37 zurückbleibt, kleiner sein als die Menge an Wasser, die nach dem anfänglichen Spülzyklus in der Brennstoffzelleneinheit vorhanden ist. Alternativ kann die Menge an Wasser 31, die nach dem Rückwärtsspülzyklus in den Auslasskanälen 30 und Einlasskanälen 37 zurückbleibt, dieselbe sein, die Verteilung des Wassers 31 innerhalb der Brennstoffzelle ändert sich jedoch ausreichend, um sicherzustellen, dass die Auslasskanäle 30 und Einlasskanäle 37 im Wesentlichen frei von einer oder mehreren Wasserblockierungen 31 sind. Dies bedeutet zusätzlich, dass, auch wenn das verteilte Wasser gefriert, das gebildete Eis die Auslasskanäle 30 und Einlasskanäle 37 nicht blockiert und der Kraftstoffgasstrom von dem Einlassanschluss 26 zu dem Auslassanschluss 28 oder in der entgegengesetzten Richtung nicht versperrt ist. Folglich werden Wartezeiten beim Starten im gefrorenen Zustand eliminiert oder minimiert, wodurch eine sofortige Verwendung des Fahrzeugs ermöglicht wird.
Das Verfahren kann das Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26 für einen gewissen Zeitraum beinhalten, um Wassertröpfchenansammlungen, Wasserreservoire oder beides aufzubrechen. Der Zeitraum oder die Dauer des Rückwärtsspülzyklus kann der-/dieselbe sein wie die Dauer des anfänglichen Spülzyklus oder sich davon unterscheiden. Die Dauer des Umkehrspülzyklus kann länger oder kürzer sein als die Dauer des anfänglichen Spülzyklus, und zwar um etwa 5 bis 100% oder mehr oder 10 bis 80% oder 30 bis 50%. Der Spülzyklus kann zwei-, drei-, vier-, fünfmal so lang sein wie die Dauer des anfänglichen Spülzyklus oder länger. Alternativ kann der Spülzyklus kann zwei-, drei-, vier-, fünfmal so kurz sein wie die Dauer des anfänglichen Spülzyklus oder kürzer. Der Spülzyklus kann weniger als etwa 1 Minute bis 30 Minuten oder länger 5 bis 20 Minuten oder 10 bis 15 Minuten dauern.
Der Rückwärtsspülzyklus kann auf eine Vielzahl von Arten und Weisen durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Rückwärtsspülzyklus dem anfänglichen Spülzyklus unmittelbar folgen. Alternativ kann der Rückwärtsspülzyklus nach einer Zeitverzögerung durchgeführt werden. Die Zeitverzögerung kann etwa 1 s bis 60 Minuten betragen.
Das Spülgas kann ein beliebiges Spülgas sein. Zum Beispiel kann das Spülgas Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff sein, wobei Wasserstoff das häufigste ist. Das Spülgas kann Trockengas sein. Das in dem anfänglichen Spülzyklus verwendete Spülgas kann dasselbe Spülgas sein, das im Rückwärtsspülzyklus verwendet wird. Für sowohl den anfänglichen als auch den Rückwärtsspülzyklus kann nur eine Spülgasquelle verwendet werden. Alternativ können zwei oder mehr unterschiedliche Spülgase oder deren Mischungen für den anfänglichen und Rückwärtsspülzyklus verwendet werden. Die zwei oder mehr unterschiedlichen Gase können aus unterschiedlichen Quellen stammen. Die Quellen können einen oder mehrere unter Druckstehende Behälter beinhalten.
Das Spülgas kann während des anfänglichen Spülzyklus, des Rückwärtsspülzyklus oder beiden kontinuierlich oder diskontinuierlich freigesetzt werden. Eine diskontinuierliche Freisetzung kann regelmäßige oder unregelmäßige Zeitintervalle von keiner Gasfreisetzung zwischen individuellen Schüben oder Impulsen von freigesetztem Spülgas beinhalten.
Der anfängliche Spülzyklus und der Rückwärtsspülzyklus können wiederholt werden. Das Verfahren kann somit wiederholt Strömenlassen eines Spülgases von dem Einlassanschluss 26 zu dem Auslassanschluss 28 für einen gewissen Zeitraum beinhalten, gefolgt vom Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26. Alternativ kann das Verfahren wiederholt Strömenlassen eines Spülgases von dem Einlassanschluss 26 zu einem Auslassanschluss 28 eines Brennstoffzellenstapels für einen gewissen Zeitraum beinhalten, gefolgt vom wiederholten Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26, um Wasser aus der Brennstoffzellenstapeleinheitszelle zu spülen. Sowohl der anfängliche als auch der Spülzyklus können ein-, zwei-, drei-, viermal oder so oft wiederholt werden, wie nötig ist, um sicherzustellen, dass Restwasser aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt ist oder dass Wasseransammlungen und/oder Wasserreservoire in Wassertröpfchen aufgebrochen sind, um einen Film von Wassermolekülen zu bilden, der auf den Merkmalen der Platte 24', 24'' dispergiert ist. Die Dispersion kann einheitlich, uneinheitlich, regelmäßig oder unregelmäßig sein.
In mindestens einer Ausführungsform kann die Richtung des Spülgases jederzeit während des Spülens von dem anfänglichen Spülzyklus zu dem Rückwärtsspülzyklus gewechselt werden. Zum Beispiel kann das Spülgas zu dem Auslassanschluss 28 geleitet werden und zu dem Einlassanschluss 26 umgeleitet werden, bevor das Spülgas den Auslassanschluss 28 erreicht. Zum Beispiel kann die Umleitung auftreten, sobald das Spülgas ¼, ½, ¾ oder dergleichen der Strecke vom Einlassanschluss 26 zum Auslassanschluss 28 zurückgelegt hat. Die Umleitung oder der Wechsel kann einmal oder öfter durchgeführt werden und kann besonders nützlich sein, wenn die Platte 24', 24'' Geometrie enthält, die anfällig für Wasseransammlung entlang eines mittleren Abschnitts der Platte 24', 24'' ist. Die Umleitung kann über den Betrieb eines Ventils 40 bereitgestellt werden. Das Ventil kann ein Zweiwege- oder ein Dreiwegeventil sein. Zum Beispiel kann das Ventil 40 ein Zweiwegeventil sein, das in der Lage ist, den anfänglichen Spülgasstrom von dem Einlassanschluss 26 zu dem Auslassanschluss 28 zu dem Rückwärtsspülstrom von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26 umzuleiten.
Das Verfahren kann das Spülen der Anodenseite 24'', der Kathodenseite 24'' oder von beiden beinhalten. Der anfängliche Spülzyklus und/oder der Rückwärtsspülzyklus der Anodenseite 24' und der Kathodenseite 24'' können separat oder gleichzeitig bereitgestellt werden. Zum Beispiel können der anfängliche und/oder der Rückwärtsspülzyklus der Anodenseite vor dem Spülen der Kathodenseite durchgeführt werden. Entweder die Kathodenseite oder die Anodenseite kann nicht gespült werden oder kann nur durch den anfänglichen Spülzyklus gespült werden. Alternativ kann die Rückwärtsspülprozedur die einzige Spülprozedur sein, die entweder auf der Kathodenseite oder der Anodenseite durchgeführt wird. Die Kathodenseite und die Anodenseite können gleich oft oder unterschiedlich oft gespült werden. Zum Beispiel kann die Kathodenseite einmal durch den anfänglichen Spülzyklus und den Rückwärtsspülzyklus gespült werden, während die Anodenseite mehr als einmal durch den anfänglichen Spülzyklus und den Rückwärtsspülzyklus gespült werden kann. Alternativ können die Kathodenseite und die Anodenseite alternativ gespült werden, derart, dass zuerst die Kathodenseite anfänglich gespült wird, anschließend die Anodenseite anfänglich gespült wird, gefolgt vom Rückwärtsspülen der Kathodenseite und der Anodenseite, und zwar entweder gleichzeitig oder zuerst die Kathodenseite und dann die Anodenseite. Andere Spülkonfigurationen werden in Erwägung gezogen.
Das Brennstoffzellenstapelsystem kann eine Steuerung 42 beinhalten. Die Steuerung 42 kann mit einem oder mehreren Aktoren (nicht abgebildet) gekoppelt sein, die zum Öffnen und Schließen des/der Ventil(e) konfiguriert sind. Die Steuerung 42 kann eine Steuerung sein, die programmiert ist, um einen Strom des einen oder der mehreren Spülgase durch das Brennstoffzellenspülsystem auf der Grundlage von Eingangsdaten zu starten, zu beenden, zu verändern und/oder umzuleiten. Die Eingangsdaten können von Sensoren bereitgestellt werden, vorprogrammiert sein oder beides. Die Steuerung 42 kann eine oder mehrere Verarbeitungskomponenten aufweisen, wie zum Beispiel eine oder mehrere Mikroprozessoreinheiten (nicht gezeigt), welche der Steuerung 42 die Verarbeitung der Eingangsdaten ermöglichen. Die Eingangsdaten können auf dem Druck, der Spannung, beiden oder dergleichen basieren, die innerhalb des Brennstoffzellenstapels als Ganzes und/oder individuellen Zelleneinheiten detektiert werden. Die Eingangsdaten können Echtzeitdaten beinhalten. Die Eingangsdaten können kontinuierlich oder diskontinuierlich von Sensoren bereitgestellt werden.
Wie in 6A abgebildet, kann der Brennstoffzellenstapel 32 rein zum Zwecke der Veranschaulichung der horizontale Brennstoffzellenstapel 32 sein. Alternativ kann der Brennstoffzellenstapel jedoch der vertikale Brennstoffzellenstapel 34 oder der vertikale Kopfbrennstoffzellenstapel 36 sein. Der Brennstoffzellenstapel 32 ist mit einer Spülgasquelle 44 verbunden, welche de Spülgasstrom von dem Einlassanschluss 26 zu dem Auslassanschluss 28 und in der entgegengesetzten Richtung bereitstellt. Das Brennstoffzellenspülsystem 100 beinhaltet ferner mindestens ein Ventil 40, durch welches das Spülgas geleitet wird, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 32 eintritt und nachdem es den Brennstoffzellenstapel 32 verlässt. Die Ventile 40 ermöglichen das Umleiten der Richtung des Spülgasstroms. Das System 100 kann ferner mindestens einen Wassersammelbehälter beinhalten, in welchem das Wasser, welches in jeder Richtung aus dem Brennstoffzellenstapel 32 gedrängt wurde, gesammelt wird, und aus welchem das Wasser ferner wiederverwendet oder entsorgt werden kann. Derartige Wasserbehälter sind in den 6B und 6C abgebildet. Alternativ kann das ausgespülte Wasser in ein Abführsystem des Brennstoffzellensystems 100 geführt werden. Das System 100 beinhaltet ferner eine Steuerung 42, die mit der Spülgasquelle 44 und dem einen oder zwei Ventilen 40 verbunden ist.
In einer alternativen Ausführungsform, die in 6B abgebildet ist, beinhaltet das Brennstoffzellenspülsystem 100' ein primäres Brennstoffzellenbetriebsspülsystem, welches eine Spülgasquelle 44 und einen Wassersammelbehälter 46 beinhaltet. Alternativ ist kein Wasserbehälter eingeschlossen und das Wasser wird zu dem Ausgang des Brennstoffzellensystems 100' geführt. Das primäre Spülsystem stellt den anfänglichen Spülzyklus bereit. Ein sekundäres Brennstoffzellenbetriebsspülsystem, welches von dem traditionellen Brennstoffzellenbetriebssteuerungssystem unabhängig ist, ist eingeschlossen. Das sekundäre Spülsystem stellt den Rückwärtsspülzyklus bereit. Das sekundäre unabhängige System beinhaltet eine sekundäre Spülgasquelle 44'. Das sekundäre System kann ebenfalls einen sekundären Wassersammelbehälter 46 beinhalten. Alternativ können sowohl das primäre als auch das sekundäre Spülsystem Wasser in einem gemeinsamen Wassersammelbehälter 46 sammeln und/oder direkt aus dem System als Abwasser ableiten. Noch alternativer sind keine Wasserbehälter eingeschlossen und das ausgespülte Wasser wird zum Ausgang geführt. Obwohl nicht abgebildet, kann die Steuerung 42, mit den Spülgasquellen 44, 44', dem primären Spülsystem, dem sekundären Spülsystem, dem einen oder den mehreren Wassersammelbehältern 46, 46' oder einer Kombination davon verbunden ist, eingeschlossen sein.
In noch einem alternativen Brennstoffzellenspülsystem 100'', welches in 6C abgebildet ist, ist ein Brennstoffzellenstapel 32 mit einer Spülgasquelle 44 über Verrohrung 48 verbunden, welche das Spülgas in der Richtung von dem Einlassanschluss 26 zu dem Auslassanschluss 28 während des anfänglichen Spülzyklus leitet. Der Brennstoffzellenstapel 32 ist ebenfalls über Verrohrung 50 mit der Spülgasquelle 44 verbunden, welche den Spülgasstrom von dem Auslassanschluss 28 zu dem Einlassanschluss 26 während des Rückwärtsspülzyklus ermöglicht. Ein Dreiwegeventil 52 ist an der Verbindungsstelle der Verrohrung 48 und 50 eingeschlossen. Ein oder mehrere Wassersammelbehälter 46 können eingeschlossen sein. Wie auch in 6B ist eine Steuerung nicht abgebildet. Dennoch kann eine Steuerung eingeschlossen sein und kann mit der Spülgasquelle 44, dem Ventil 52, dem einen oder den mehreren Wassersammelbehältern 46 oder einer Kombination davon verbunden sein.
Während vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Offenbarung beschreiben. Die in der Patentschrift verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, umfassend: vor dem Abschalten, Strömenlassen eines Spülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss einer Brennstoffzellenstapeleinheitszelle, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, und anschließend Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss, um Wasser weiter aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen, Wasserbildung in Auslasskanälen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern oder beides.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, umfassend: wiederholt Strömenlassen eines Spülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss einer Brennstoffzellenstapeleinheitszelle für einen gewissen Zeitraum, gefolgt vom Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend Betreiben eines Zweiwegeventils, um einen Anfangsstrom der Spülung von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss umzuleiten, um in die entgegengesetzte Richtung zu strömen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Freisetzten des Spülgases aus demselben unter Druck stehenden Behälter, um in beide Richtungen zu strömen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Strömenlassen des Spülgases von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss für einen längeren Zeitraum als das Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, umfassend: wiederholt Strömenlassen eines Spülgases von einem Einlassanschluss zu einem Auslassanschluss einer Brennstoffzellenstapeleinheitszelle für einen gewissen Zeitraum, gefolgt vom Strömenlassen des Spülgases von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss, um Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu spülen.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend mindestens zweimal Strömenlassen von Trockenspülgas von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss und anschließend mindestens zweimal Strömenlassen von Trockenspülgas von dem Auslassanschluss zu dem Einlassanschluss.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Zeitraum etwa 1 bis 15 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner diskontinuierliches Freisetzen von Trockenspülgas in Impulsen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Aufbrechen von Wassertröpfchenansammlung, Wasserreservoiren oder beidem, um einen Film von dispergierten Wassermolekülen zu bilden, während Trockenspülgas von dem Einlassanschluss zu dem Auslassanschluss strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel eine scheibenförmige Brennstoffzellenstapelorientierung aufweist.