DE102018104425A1

DE102018104425A1 - Brennstoffzellenstapel-einfahrverfahren und -einfahrkonditionierungssysteme

Info

Publication number: DE102018104425A1
Application number: DE102018104425.9A
Authority: DE
Inventors: Jingxin Zhang; Nagappan Ramaswamy; Balasubramanian Lakshmanan; Swaminatha P. Kumaraguru
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2018-09-13
Also published as: US20180261858A1; CN108574109A; US10158128B2

Abstract

Offenbart werden Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahren, Brennstoffzellen-Konditionierungssysteme zur Ausführung von Einfahrverfahren und Kraftfahrzeuge mit einem Brennstoffzellenstapel, die gemäß den offenbarten Einfahrverfahren konditioniert werden. Es wird ein Einfahrverfahren zum Konditionieren einer Membrananordnung eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Leiten von angefeuchtetem Wasserstoff zur Anode der Membrananordnung und das Leiten von de-ionisiertem Wasser zur Kathode der Membrananordnung. Ein elektrischer Strom- und Spannungszyklus wird über den Brennstoffzellenstapel angelegt, während der Brennstoffzellenstapel in einem Wasserstoffpumpmodus betrieben wird, bis bestimmt wird, dass der Brennstoffzellenstapel bei einem vorbestimmten Schwellenwert für eine Brennstoffzellenstapel-Spannungsausgabefähigkeit arbeitet. Während des Pumpens des Wasserstoffs oxidiert die Membrananordnung den befeuchteten Wasserstoff, transportiert Protonen von der Anode durch die protonenleitende Membran zur Kathode und regeneriert die Protonen an der Kathode durch eine Wasserstoffentwicklungsreaktion.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Brennstoffzellensysteme zum Umwandeln von auf Wasserstoff-basierender chemischer Energie in Elektrizität. Insbesondere betreffen Aspekte dieser Offenbarung Brennstoffzelleneinfahrsysteme und - verfahren für Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellenstapel.
Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordfahrzeugelektronik versorgt. Der Antriebsstrang, der einen Antrieb einschließt und zum Teil fälschlich als solcher bezeichnet wird, umfasst im Allgemeinen eine Antriebsmaschine, die durch eine mehrstufige Energieübertragung die Antriebskraft zum Fahrzeug-Endantriebssystem (z. B. Differential, Achsen und Straßenräder) liefert. Automobile wurden herkömmlich mit einem Verbrennungsmotor (ICE - Internal Combustion Engine) nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Solche Motoren beinhalten als nicht einschränkende Beispiele Zwei- oder Viertakt-kompressionsgezündete Dieselmotoren, Viertakt-Ottobenzinmotoren, Sechstakt-Motoren und Drehkolbenmotoren. Hybrid- und Elektrofahrzeuge nutzen andererseits alternative Energiequellen, wie batteriebetriebene Elektromotorgeneratoren, um das Fahrzeug anzutreiben und mindern die Abhängigkeit des Motors von der Energie und erhöhen somit die gesamten Kraftstoffeinsparungen.
Hybridelektrik- und Vollelektrofahrzeug-Antriebsstränge wenden verschiedene Architekturen an, von denen einige einen Brennstoffzellenstapel verwenden, um Energie für einen oder mehrere elektrische Traktionsmotoren zu liefern. Ein Brennstoffzellenstapel ist eine elektrochemische Vorrichtung, die im Allgemeinen aus einer Anode, die Wasserstoff (H₂) aufnimmt, einer Kathode, die Sauerstoff (O₂) aufnimmt, und einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten besteht. Eine elektrochemische Reaktion wird hervorgerufen, um Wasserstoffmoleküle an der Anode zu oxidieren, um freie Protonen (H⁺) zu erzeugen, die dann durch den Elektrolyten, zur Reduktion mit einem Oxidationsmittel wie Sauerstoff an der Kathode, fließen. Insbesondere wird Wasserstoff in einer Oxidationsreaktion in einer Halbzelle in der Anodenkatalysatorschicht katalytisch aufgespalten, um Protonen und Elektronen zu erzeugen. Diese Protonen fließen durch den Elektrolyten zur Kathode, wo die Protonen mit Sauerstoff und Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Elektronen von der Anode können jedoch nicht durch den Elektrolyten fließen und werden somit durch einen Verbraucher geleitet, wie einen Motor oder eine Batterie, bevor die Elektronen zur Kathode geleitet werden.
In Automobilanwendungen häufig verwendete Brennstoffzellenkonstruktionen nutzen eine Feststoff-Polymerelektrolyt-(SPE)-Membran oder eine Protonenaustauschmembran (PEM), um den Ionentransport zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten. Brennstoffzellen mit einer Protonenaustauschmembran (PEMFC) verwenden für gewöhnlich eine Protonen leitende Feststoff-Polymerelektrolytmembran, wie beispielsweise eine perfluorsulfatische Säure-Membran. Anode und Kathode beinhalten normalerweise fein verteilte katalytische Teilchen, wie Platin (Pt), die an Kohlenstoffpartikel gekoppelt und mit einem Ionomer vermischt sind. Die katalytische Mischung wird auf den Seiten der Membran abgeschieden, um die katalytischen Anoden- und Kathodenschichten zu bilden. Die Kombination der katalytischen Anodenschicht, der katalytischen Kathodenschicht und der Elektrolytmembran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA), in der der Anodenkatalysator und der Kathodenkatalysator auf gegenüberliegenden Seiten der ionenleitfähigen festen Polymermembran unterstützt werden.
Als Teil der Herstellung einer PEMFC wird jeder neu zusammengebaute Brennstoffzellenstapel typischerweise zyklisch durch eine Inkubationszeit des Stapelbetriebs geführt, um die MEAs „einzufahren“. Während eines Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahrens werden MEAs derart konditioniert, dass die Anschlussspannung des Stapels mit der Zeit allmählich ansteigt, um sicherzustellen, dass sich die Anschlussspannung bei oder nahe einem im Allgemeinen konstanten Spitzenspannungspegel stabilisiert. Ein Einfahren wird häufig für die MEAs in einem neu hergestellten Brennstoffzellenstapel benötigt, um eine optimale Leistung für einen Langzeitbetrieb des Stapels zu erhalten. Die Hauptfunktion(en) des MEA-Einfahrens können Folgendes beinhalten: das Befeuchten der Membran, Entfernen von Restlösungsmitteln und anderen Verunreinigungen, die aus der MEA-Fertigung resultieren, und das Entfernen von Anionen von dem Katalysator, um die Reaktionsstellen zu aktivieren. Gegenwärtige Verfahren zum Einfahren von MEAs in einen Brennstoffzellenstapel können mehrere Stunden eines Brennstoffzellenbetriebs erfordern, um auf unterschiedliche Niveaus der resultierenden Funktionalität abzuzielen. Darüber hinaus erfordern viele bekannte Einfahrverfahren den Verbrauch großer Mengen an Wasserstoff und Elektrizität, die beide teuer bereitzustellen sind. Einige Ansätze zum Einfahren von Brennstoffzellenstapeln sind sehr intensiv, wobei Hochspannungsvorgänge (z. B. über 300 V) und hohe Brennstoffzellentemperaturen involviert sind, die eine erhöhte elektrische Isolation, große Volumina an Kühlmittelfluss und eine teure Ausrüstung erfordern.
KURZDARSTELLUNG
Hierin offenbart sind Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahren sowie Brennstoffzellen-Konditionierungssysteme zum Implementieren von Einfahrverfahren und Kraftfahrzeuge mit einem Brennstoffzellenstapel, die gemäß den offenbarten Einfahrverfahren konditioniert sind. Als Beispiel, und nicht als Einschränkung, wird eine neuartiges Einfahrverfahr für einen Brennstoffzellenstapel vorgestellt, bei der eine kostengünstige Testausrüstung, ein Betrieb bei niedriger Temperatur und ein Betrieb bei niedriger Spannung unter Verwendung von Wasser und wiederaufbereitetem Wasserstoff zur Anwendung kommt. In diesem Beispiel kann ein PEM-Brennstoffzellenstapeleinfahren realisiert werden, indem der Stapel in einem „Wasserstoffpumpmodus“ betrieben wird, in dem befeuchtetes H₂ zu der Anode und de-ionisiertem Wasser (Flüssigkeit oder Dampf) anstelle von Luft oder konzentriertem Sauerstoff der Kathode zugeführt wird. Eine Brennstoffzelle, wenn als eine elektrochemische Wasserstoffpumpe betrieben, erzeugt einen relativ reinen Wasserstoff mit einem Kathodenabgas der Zelle, relativ zu einer Anströmung, die an einem Anodeneinlass der Zelle aufgenommen wird. Eine Spannungsquelle, beispielsweise ein elektronischer Potentiostat, kann verwendet werden, um einen positiven Strom über jede Zelle oder den gesamten Stapel aufzuprägen, z. B. im Bereich von ungefähr 0,05 bis 1,5 A pro Quadratzentimeter (A/cm²), während die Zellenspannung im Bereich von ungefähr 0 bis 150 mV für jede Zelle liegt. Bei dieser Konfiguration beträgt beispielsweise die maximale Einfahrspannungsanforderung für einen 200-Zellen-Stapel ∼ 30 V. Während H₂ an der Anode oxidiert, wird die gleiche Menge an H₂ an der Kathode durch eine Wasserstoff-Entwicklungsreaktion regeneriert, sodass kein Netto-Wasserstoff verbraucht wird. Evolvierter Wasserstoff von der Kathode zusammen mit flüssigem Wasser kann mit Anodenabgas in einem Wasserabscheider kombiniert werden, wo flüssiges Wasser abgetrennt und H₂ zu einem Anodeneinlass zurückgeführt wird.
Zu den begleitenden Vorteilen für wenigstens einige der offenbarten Konzepte gehören ein MEA-Einfahren mit geringem oder keinem Netto-Wasserstoffverbrauch und relativ niedrigen Gesamtspannungs- und Gesamtstromanforderungen (z. B. weniger als 50 V bei weniger als 80 A). Andere resultierende Vorteile können eine Verringerung der Wärmeerzeugung beinhalten, die dazu beiträgt, einen Einfahrprozess bei niedriger Temperatur bereitzustellen. Zusätzliche Vorteile können eine reduzierte Konditionierungszeit und eine vereinfachte, kostengünstige Testausrüstung beinhalten. Durch Verringern der Spannungsanforderungen, Eliminieren des Netto-Wasserstoffverbrauchs, Vermindern der Testausrüstungsinvestition und Minimieren der Konditionierungszeiten unterstützen offenbarte Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahren die Reduzierung von Stapelherstellungskosten, z. B. für einen In-Stapel-Verifikationstest (SVT - Stack Verification Test).
Aspekte der vorliegenden Offenbarung richten sich auf Einfahrverfahren zum Konditionieren jeder MEA eines neu zusammengebauten Brennstoffzellenstapels. Beispielsweise wird ein Einfahrverfahren zum Konditionieren einer Membrananordnung eines Brennstoffzellenstapels offenbart. Diese Membrananordnung beinhaltet eine Anode mit einem Anodenfluideinlass, eine Kathode mit einem Kathodenfluideinlass und eine protonenleitende Membran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist. Das Verfahren beinhaltet - in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit beliebigen der offenbarten Merkmale: das Anweisen der Leitung von befeuchtetem Wasserstoff zum Anodenfluideinlass; Anweisen der Leitung von de-ionisiertem Wasser zu dem Kathodenfluideinlass; das Anweisen des Anlegens eines elektrischen Stroms und eines Spannungszyklus über den Brennstoffzellenstapel und das Anweisen des Brennstoffzellenstapels zum Betrieb in einem Wasserstoffpumpmodus, bis ermittelt wird, dass der Brennstoffzellenstapel bei einem vorbestimmten Schwellenwert mit einer Brennstoffzellenstapel-Spannungsausgabefähigkeit arbeitet. Wenn im Wasserstoffpumpmodus gearbeitet wird, oxidiert die Membrananordnung den befeuchteten Wasserstoff an der Anode, transportiert Protonen von der Anode zu der Kathode durch die protonenleitende Membran und regeneriert den Wasserstoff an der Kathode durch eine Wasserstoffentwicklungsreaktion. Der elektrische Strom kann in Form eines konstanten Wertes, einer Rechteckwelle und/oder einer Dreieckswelle angelegt werden. Vor dem Übertragen von befeuchtetem Wasserstoff zu der Anode und de-ionisiertem Wasser zu der Kathode kann das Verfahren das Anweisen der Übertragung von angefeuchtetem Stickstoff sowohl zur Anode als auch zur Kathode durch entsprechende Fluideinlässe beinhalten.
Andere Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf Kraftfahrzeuge mit Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ausgerichtet, die gemäß irgendeinem der offenbarten Einfahrverfahren konditioniert sind. Ein „Kraftfahrzeug“, wie dieses hierin verwendet wird, kann jede relevante Fahrzeugplattform beinhalten, wie zum Beispiel Personenkraftfahrzeuge (Brennstoffzellenhybrid, Brennstoffzellen elektrisch, vollständig oder teilweise autonom usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Kettenfahrzeuge, Straßen- und Geländefahrzeuge (ATV - All-Terrain Vehicle), Landmaschinen, Boote, Flugzeuge usw. Membranelektrodenanordnungen, die gemäß den offenbarten Einfahrverfahren konditioniert sind, können in anderen Anwendungen, wie tragbaren Brennstoffzellenvorrichtungen, z. B. zum Betreiben von Wohngebäude- und kommerzielle Vorrichtungen sowie stationäre Brennstoffzellen-Kraftwerke verwendet werden, die beispielsweise konzipiert sind, um eine saubere, zuverlässige Energiequelle für Flughäfen, Krankenhäuser, Schulen, Banken und Haushalte bereitzustellen.
Zusätzliche Aspekte dieser Offenbarung sind auf Brennstoffzellen-Konditionierungssysteme ausgerichtet, um das Einfahren jeder MEA in einem neu zusammengebauten Brennstoffzellenstapel zu vervollständigen. Als ein Beispiel wird ein Brennstoffzellen-Konditionierungssystem zur Implementierung eines Einfahrens einer Membrananordnung einer Brennstoffzelle vorgestellt. Das Brennstoffzellen-Konditionierungssystem beinhaltet eine erste Einlassleitung/einen ersten Einlassschlauch, der die Anode der Membrananordnung mit einer Wasserstoffquelle verbindet, und eine zweite Einlassleitung/einen zweiten Einlassschlauch, der die Kathode der Membrananordnung mit einer Wasserquelle verbindet. In dem Brennstoffzellen-Konditionierungssystem ist auch ein elektrischer Verbinder/ein elektrisches Kabel beinhaltet, der/das den Brennstoffzellenstapel mit einer elektrischen Spannungsquelle verbindet. Das Brennstoffzellen-Konditionierungssystem beinhaltet eine erste Einlassleitung/einen ersten Einlassschlauch, der die Anode der Membrananordnung mit einer Wasserstoffquelle verbindet, und eine zweite Einlassleitung/einen zweiten Einlassschlauch, der die Kathode der Membrananordnung mit einer Wasserquelle verbindet.
Eine elektronische Steuereinheit des Konditionierungssystems ist programmiert, um: Den Fluss von befeuchteten Wasserstoff von der Wasserstoffquelle durch die erste Einlassleitung zu dem Anodenfluideinlass zu befehlen; den Fluss von de-ionisiertem Wasser von der Wasserquelle durch die zweite Einlassleitung zu dem Kathodenfluideinlass zu befehlen; einen elektrischen Strom- und Spannungszyklus auf den Brennstoffzellenstapel über den elektrischen Verbinder anzuwenden, und um den Brennstoffzellenstapel in einem Wasserstoffpumpmodus zu betreiben, wobei die Membrananordnung Protonen von der Anode zu der Kathode über die protonenleitende Membran transportiert, bis bestimmt wird, dass der Brennstoffzellenstapel bei einem vorbestimmten Schwellenwert für eine Brennstoffzellenstapel-Spannungsausgabefähigkeit arbeitet.
Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die oben und im Folgenden dargestellt sind.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines repräsentativen Brennstoffzellen-Konditionierungssystems zum Einfahren eines Brennstoffzellenstapels gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Flussdiagramm für ein repräsentatives Brennstoffzellen-Einfahrverfahr, das zum Beispiel durch eine Steuerlogikschaltung, eine programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine andere computerbasierte Vorrichtung gemäß Aspekten der offenbarten Konzepte ausgeführt werden kann.
3 ist ein Kurvendiagramm, das repräsentative H₂-Pumpeinfahrstrom- und - spannungsprofile gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
4A und 4B sind Diagramme, die die Konditionierungseffekte eines herkömmlichen H₂/Luft-Lastzyklus-Einfahrvorgangs und eines repräsentativen H₂-Pump-/Wasserlastzyklus-Einfahrvorgangs gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung vergleichen.
5 ist ein Diagramm, das den repräsentativen Einfluss von Kathoden-CVs (CV - Cyclic Voltammetry) zwischen dem H₂-Pumpen beim Einfahren von Brennstoffzellen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
6 ist ein Kurvendiagramm, das einen repräsentativen Einfahrfortschritt für einen Wasserstoffpumpvorgang bei unterschiedlichen Strömen pro cm (A/cm²) mit einem N₂-Strom in der Kathode gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.

Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung eignet sich für eine Vielzahl von Ausführungsformen. Diese sind in den Zeichnungen dargestellt und hierin in detaillierten exemplarischen Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, mit der Erkenntnis, dass die vorliegende Offenbarung als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Offenbarung zu betrachten ist, und nicht als eine Einschränkung der breiten Aspekte der Offenbarung bezüglich der dargestellten Ausführungsformen. Entsprechend sollten Elemente und Einschränkungen, die beispielsweise in den Abschnitten der Kurzdarstellung, der Zusammenfassung und der ausführlichen Beschreibung offenbart, aber nicht explizit in den Patentansprüchen aufgeführt sind, nicht per Schlussfolgerung, Rückschluss oder anderweitig einzeln oder insgesamt in die Patentansprüche integriert werden. Zu Zwecken der vorliegenden ausführlichen Beschreibung, soweit nicht ausdrücklich dementiert: beinhaltet die Singularform die Pluralform und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind beide verbindend und trennend; das Wort „alle“ bedeutet „alle und jegliche“; das Wort „jegliche“ bedeutet „alle und jegliche“; und die Wörter „einschließlich“ und „umfassend“ und „mit“ bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können beispielsweise Wörter für Annäherungen, wie „etwa“, „fast“, „wesentlich“, „ungefähr“ und dergleichen, hierin im Sinne von „bei, nahe oder nahezu“, oder „innerhalb 3-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Herstellungstoleranzen“ oder jegliche logische Kombination davon verwendet werden.
Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, ist in 1 eine schematische Veranschaulichung eines repräsentativen Brennstoffzellen-Konditionierungssystems, im Allgemeinen mit 10 bezeichnet, zum „Einfahren“ eines Brennstoffzellenstapels 20. Das veranschaulichte Brennstoffzellen-Konditionierungssystem 10 ist lediglich eine exemplarische Anwendung, mit der die neuen Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung praktiziert werden können. Genauso sollte die Implementierung der hier dargestellten Konzepte zum „Einfahren“ eines Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapels 20 auch als ein Anwendungsbeispiel der hierin offenbarten neuen Konzepte verstanden werden. Somit versteht es sich, dass viele Aspekte und Merkmale der vorliegenden Offenbarung auf andere Brennstoffzellenstapelkonfigurationen angewendet werden können und durch andere Konditionierungssystemarchitekturen implementiert werden können. Letztendlich sind die hierin abgebildeten Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit gelten die spezifischen und relativen Maße der Zeichnungen nicht als einschränkend.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 besteht der Brennstoffzellenstapel 20 aus mehreren Brennstoffzellen 22 vom Typ PEM, die z. B. miteinander in Reihe geschaltet sind. Insbesondere ist jede Brennstoffzelle 22 beispielsweise ein mehrschichtiger Aufbau mit einer Anodenseite 24 und einer Kathodenseite 26, die durch eine protonenleitfähige Perfluorsulfonsäuremembran 28 getrennt sind. Eine Anodendiffusionsmediumschicht 30 ist auf der Anodenseite 24 von PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Anodenkatalysatorschicht 32 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmediumschicht 30 angeordnet ist und diese wirksam verbindet. Gleichermaßen ist eine Kathodendiffusionsmediumschicht 34 auf der Kathodenseite 26 von PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Kathodenkatalysatorschicht 36 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmediumschicht 34 angeordnet ist und diese wirksam verbindet. Diese beiden Katalysatorschichten 32 und 36 wirken mit der Membran 28 zusammen, um ganz oder teilweise eine MEA 38 zu definieren. Die Diffusionsmediumschichten 30 und 34 sind poröse Konstruktionen, die einen Fluideinlasstransport zu und einen Fluidabgastransport von der MEA 38 bereitstellen. Eine Anodenströmungsfeldplatte (oder „Bipolarplatte“) 40 ist an der Anodenseite 24 angrenzend an die Anodendiffusionsmediumschicht 30 vorgesehen. In gleicher Weise ist eine Kathodenströmungsfeldplatte (oder „Bipolarplatte“) 42 auf der Kathodenseite 26 angrenzend an die Kathodendiffusionsmediumschicht 34 vorgesehen. Kühlmittelströmungskanäle 44 durchziehen jede der Bipolarplatten 40 und 42, um den Fluss von Kühlfluid durch die Brennstoffzelle 22 zu ermöglichen. Entsprechende Fluideinlassöffnungen und -verteiler leiten den Wasserstoffbrennstoff und das Oxidationsmittel zu Durchgängen in den Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten.
1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Brennstoffzellen-Konditionierungssystems 10 zum Einfahren eines Brennstoffzellenstapels 20. Das veranschaulichte Brennstoffzellen-Konditionierungssystem 10 kann allgemein irgendeine Art von Konditionierungssystem und/oder Testumgebung darstellen, die in der Lage ist, eine Inkubation für ein Einfahren zu stapeln. Es werden lediglich ausgewählte Komponenten des Konditionierungssystems 10 in den Zeichnungen exemplarisch dargestellt und hier im Detail beschrieben. Nichtsdestoweniger kann das Konditionierungssystem 10 zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale und andere gut bekannte periphere Komponenten beinhalten, ohne von dem beabsichtigten Umfang dieser Offenbarung abzuweichen. Als Beispiel und nicht als Einschränkung wird der Einlassstrom von Wasserstoff (H₂) und/oder von Stickstoff (N₂) - seien diese gasförmig, konzentriert, mitgerissen oder anderweitig - von einer Wasserstoff/Stickstoffquelle 46 zu der Anodenseite 24 des Brennstoffzellenstapels 20 über eine (erste) Fluideinlassleitung oder einen (ersten) Fluideinlassschlauch 48 geleitet. Anodenabgas verlässt den Stapel 20 über eine (erste) Fluidauslassleitung oder einen (ersten) Fluidauslassschlauch 50. Ein Kompressor oder eine Pumpe 52 stellt einen Kathodeneinlassstrom, z. B. aus de-ionisiertem Wasser (DI H₂) und/oder Stickstoff (N₂), über eine (zweite) Fluideinlassleitung oder einen Verteiler 54 für die Kathodenseite 26 des Stapels 20 bereit. Kathodenabgas wird von dem Stapel 20 über eine (zweite) Fluidauslassleitung oder einen (zweiten) Verteiler 56 abgegeben. Strömungssteuerventile, Durchflussbegrenzungen, Filter und andere bekannte Vorrichtungen zum Regeln des Fluidflusses können durch das System 10 von 1 implementiert werden.
Das Brennstoffzellen-Konditionierungssystem 10 von 1 kann auch ein thermisches Untersystem beinhalten, das zum Steuern der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 42 während des Vorkonditionierens, Einfahrens und Nachkonditionierens dient. Gemäß dem dargestellten Beispiel pumpt eine Kühlfluidpumpe 58 ein Kühlfluid durch eine Kühlmittelschleife 60 zu dem Brennstoffzellenstapel 20 und in die Kühlmittelkanäle 44 jeder Zelle 22. Ein Kühler 62 und eine Heizeinrichtung 64, die in die Kühlmittelschleife 60 fluidisch gekoppelt sind, werden verwendet, um den Stapel 20 konstant auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Das Konditionierungssystem 10 ist mit verschiedenen Erfassungsvorrichtungen ausgestattet, um den Systembetrieb und den Fortschritt des Brennstoffzelleneinfahrens zu überwachen. Zum Beispiel misst, überwacht oder erfasst ein (erster) Temperatursensor 66 einen Temperaturwert des Kühlmittels an einem Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels 20, und ein (zweiter) Temperatursensor 68 misst, überwacht oder erfasst auf andere Weise einen Temperaturwert des Kühlmittels an einem Kühlmittelauslass des Brennstoffzellenstapels 20. Ein elektrischer Verbinder oder elektrisches Kabel 74 verbindet den Brennstoffzellenstapel 20 mit einer elektrischen Spannungsversorgung 76. Ein Spannungs-/Stromsensor 70 kann betrieben werden, um die Brennstoffzellenspannung und/oder den Strom über die Brennstoffzellen 22 in dem Stapel 20 während des Einfahrbetriebes zu messen, zu überwachen oder anderweitig zu erfassen.
Die programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU - Electronic Control Unit) 72 hilft dabei, den Betrieb des Brennstoffzellen-Konditionierungssystems 10 zu steuern. Als ein Beispiel empfängt die ECU 72 ein oder mehrere Temperatursignale T1 von dem ersten Temperatursensor 66, die die Temperatur des Kühlmittels an einem Kühlmitteleinlass des Brennstoffzellenstapels 20 anzeigen. Die ECU 72 kann in Reaktion darauf ein oder mehrere Befehlssignale C1 ausgeben, um den Betrieb des Kühlers 62 zu modulieren. Diese ECU 72 empfängt auch ein oder mehrere Temperatursignale T2 von dem Temperatursensor 68, die die Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelauslass des Stapels 20 anzeigen. Die ECU 72 kann in Reaktion darauf ein oder mehrere Befehlssignale C2 ausgeben, um den Betrieb der Heizeinrichtung 64 zu modulieren. Die ECU 72 kann auch ein oder mehrere Brennstoffzellen-Spannungssignale V2 von dem Spannungssensor 70 empfangen und gibt daraufhin ein oder mehrere Befehlssignale C3 aus, um den Stromfluss über den und die Spannung über dem Brennstoffzellenstapel 20 zu modulieren. Zusätzliche Sensorsignale S_N können empfangen werden und zusätzliche Steuerbefehle C_N können von der ECU 72 ausgegeben werden, um beispielsweise die Wasserstoff-/Stickstoffquelle 46, den Kathodeneinlassströmungsverdichter/die Kathodeneinlasspumpe 52, die Kühlmittelpumpe 58 oder irgendein anderes, hier dargestelltes und/oder hierin beschriebenes Untersystem zu steuern. Auf diese Weise kann die ECU 72 den Fluss von Wasserstoff, Stickstoff und Wasser zu dem Brennstoffzellenstapel regulieren. Ein exemplarischer Algorithmus, der durch die ECU 72 zum Ausführen eines Einfahrens der MEAs in dem Stapel 20 ausführbar ist, wird nachfolgend detaillierter erläutert. In 1 sind die Pfeile, die die Motorsteuereinheit 72 mit den verschiedenen Komponenten des Systems 10 verbinden, für elektronische Signale oder andere Kommunikationsvermittlungen repräsentativ, mit denen Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zur anderen übertragen werden.
Mit Bezug auf das Ablaufdiagramm von 2 ist ein verbessertes Verfahren oder eine verbesserte Steuerstrategie zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Konditionierungssystems, wie etwa des Konditionierungssystems 10 von 1 zum Einfahren von einer oder mehreren Brennstoffzellen in einem Stapel, wie beispielsweise der Zelle 22 des Stapels 20 in 1, allgemein in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung mit 100 beschrieben. 2 kann repräsentativ für einen Algorithmus sein, der prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die beispielsweise im Haupt- oder Hilfsspeicher gespeichert werden können und beispielsweise durch eine ECU, CPU, einer im Fahrzeug oder entfernt befindlichen Steuerlogikschaltung oder einer anderen Vorrichtung ausgeführt werden können, um beliebige oder alle der vorstehend und/oder nachfolgend beschriebenen Funktionen auszuführen, die den offenbarten Konzepten zugeordnet sind.
Das Verfahren beginnt bei Block 101 mit dem Verbinden der geeigneten Anoden- und Kathodenfluidein- und -auslässe des Brennstoffzellenstapels 20 mit den entsprechenden Fluideinlassleitungen/-schläuchen 48, 54 und den Fluidauslassleitungen/-schläuchen 50, 56. Block 103 beinhaltet das Verbinden des elektrischen Verbinders/Kabels 74 mit dem Brennstoffzellenstapel 20. Diese Verbindungen (und hierauf folgende Unterbrechungen) können abhängig von der speziellen Architektur des Brennstoffzellen-Konditionierungssystems manuell und/oder automatisch ausgeführt werden. Block 103 kann ferner eine Startaufforderungsprozedur zum Einleiten einer Einfahrinkubationsperiode für den operativ gekoppelten Brennstoffzellenstapel 20 beinhalten. Vor, gleichzeitig mit oder nach Abschluss der Blöcke 101 und 103 kann der Brennstoffzellenstapel 20 über die thermische Vorwärmung, z. B. im Bereich von etwa 70 bis 185 °F oder optional im Bereich von etwa 140 bis 160 °F über das thermische Untersystem von 1, im Rahmen eines Vorkonditionierungsprozesses vor der Einleitung des Einfahrverfahrens, vorgeheizt werden. Während des Einfahrens kann es jedoch für zumindest einige Anwendungen wünschenswert sein, den Brennstoffzellenstapel 20 bei einer Temperatur von ungefähr 60-80 °F oder beispielsweise im Bereich von 65-75 °F oder in ein spezifischeres Beispiel bei Raumtemperatur zu betreiben.
Das Verfahren 100 wird bis zu Block 105 ausgeführt, wobei ein Inertgas durch die Anoden- und Kathodenbereiche 24, 26 des Brennstoffzellenstapels 20 als Teil eines Vorkonditionierungsprozesses vor der Inkubation des Stapels 20 strömt. Dies kann beinhalten, dass die ECU 72 ein Befehlssignal abgibt, um Argon, Helium oder Stickstoff oder irgendeine Kombination hiervon von einer komplementären Inertgasquelle zu den Fluideinlässen der Anode und Kathode zu leiten. Für zumindest einige Anwendungen ist es auch plausibel, dass das Brennstoffzellen-Konditionierungssystem 10 zwei getrennte Gasquellen verwendet, die jeweils ein unterschiedliches Inertgas enthalten, eines für die Anodenseite 24 des Stapels 20 und eines für die Kathodenseite 26 des Stapels 20. Dieser Inertgasstrom kann beispielsweise mittels Wasser, das durch das thermische Untersystem 40 eingespritzt wird oder über andere bekannte Techniken zum Befeuchten von Gasströmen befeuchtet werden. Unabhängig davon, ob das Inertgas vor dem Empfang durch den Stapel befeuchtet wird oder nicht, verursachen das Gas oder die Gase, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt werden, keine elektrochemischen Reaktionen während der Vorkonditionierung.
Nach Abschluss einer bestimmten Vorkonditionierungsperiode, z. B. von ungefähr 20 bis 30 Minuten, während welcher der Brennstoffzellenstapel 20 für das Einfahren vorbereitet wird, wird der Inertgasfluss zu der Anodenseite unterbrochen und bei Block 107 auf befeuchtetes Wasserstoffgas (H₂) umgeschaltet. Dieser Vorgang kann umfassen, dass ECU 72 ein Befehlssignal erzeugt, das die Wasserstoff-/Stickstoffquelle 46 anweist, befeuchteten Wasserstoff zu dem Anodenfluideinlass zu leiten, während gleichzeitig die Einleitung von Stickstoff zur Anode beendet wird. In ähnlicher Weise wird in Block 109 der Fluss von Inertgas zur Kathodenseite des Stapels unterbrochen und auf de-ionisiertes Wasser umgeschaltet. Optionale Ausführungsformen können erfordern, dass ein N₂-Fluss mit einer zugeführten Einleitung von DI H₂ zur Kathode aufrechterhalten wird. Dieser Betrieb kann umfassen, dass ECU 72 ein Befehlssignal erzeugt, das den Kompressor/die Pumpe 52 anweist, de-ionisiertes Wasser zu dem Kathodenfluideinlass zu leiten, während gleichzeitig die Einleitung von Stickstoff zur Kathode beendet wird. Abhängig von beispielsweise der Größe und der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels, kann befeuchteter Wasserstoff mit etwa 30 bis 700 Standardlitern pro Minute (sl/m), abhängig beispielsweise vom Strom zur Anodenseite des Stapels, eingeleitet werden. Darüber hinaus kann de-ionisiertes Wasser zu der Kathodenseite des Stapels mit ungefähr 5 bis 20 Milliliter pro Minute (ml/min) oder in wenigstens einigen Ausführungsformen mit ungefähr 8 bis 12 ml/min oder wahlweise ungefähr 10 ml/min eingeleitet werden. Das Einfahrverfahren kann mit einem absoluten Druck von ungefähr 90-110 kPa oder, zumindest in einigen Ausführungsformen mit ungefähr 105 kPa, abgeschlossen werden.
Wie unter weiterer Bezugnahme auf 2 gezeigt, wird das Brennstoffzellenstapel-Einfahrverfahren 100 bis zu Block 111 unter Verwendung einer lokalen oder externen Spannungsquelle wie der Spannungsversorgung 76 von 1 fortgesetzt, um Strom an jede Zelle 22 im Stapel 20 anzulegen und optional die Zellen-/Stapelspannung zu überwachen. Block 111 kann umfassen, dass ECU 72 ein geeignetes Befehlssignal für einen dedizierten Mikrocontroller oder eine andere diskrete IS-Vorrichtung erzeugt, die in der Art einer elektronischen Leistungssteuereinheit (PCU - Power Control Unit) zum Anlegen eines elektrischen Stroms über den Brennstoffzellenstapel sein kann. Ein geeignetes elektronisches Gerät, wie ein Mehrkanalspannungs- und -strommesser und -Datenlogger, kann verwendet werden, um die Spannung und den Strom während des Zelleneinfahrens selektiv, systematisch oder zufällig abzutasten und aufzuzeichnen. Das vorhergehende Befehlssignal kann ferner das Anlegen eines Spannungszyklus an den Brennstoffzellenstapel erfordern, wobei der Zyklus auf einen bestimmten Zyklusbereich zwischen einem vorbestimmten niedrigen Potential und einem vorbestimmten hohen Potential begrenzt ist.
In einem spezielleren, nicht einschränkenden Beispiel kann das Verfahren 100 erfordern, dass eine vorbestimmte endliche Anzahl an Spannungszyklen, z. B. ungefähr 10 bis 50 Zyklen oder ungefähr 20 bis 40 Zyklen, über den Stapel mit Spannungszyklen zwischen einem niedrigen Potential angelegt wird, beispielsweise von etwa 0,05-0,1 V und einem hohen Potential, beispielsweise von etwa 0,9-1,2 V und mit einer Abtastrate von etwa 5 mV/s bis 250 mV/s. In einer repräsentativen Anwendung veranschaulicht 3 ein Spannung-/Strom-Profil für einen repräsentativen Wasserstoffpumpvorgang. In einer repräsentativen Anwendung wird die Spannung zwischen 0,05 V und 1,2 V mit einer Abtastrate von 50 mV/s getaktet. Für zumindest einige der Implementierungen ist es wünschenswert, dass der Spannungszyklus in Blöcken von ungefähr 20 bis 48 Zellen durchgeführt wird, um die Gesamtzellenspannung niedriger als 50 V zu halten. Der Test wird mit H2, das auf den Anodenraum fließt, und mit N2, das auf den Kathodenraum fließt, durchgeführt.
Bei Block 113 von 2, recycelt und speichert das Einfahrverfahr 100 den Wasserstoff, der durch die Kathodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels 20 erzeugt wird, und beendet bei Block 115 von 2 das Einfahrverfahr nach einer vorgegebenen Anzahl an Zyklen oder einer vorgegebenen Dauer. Gemäß dem in 1 veranschaulichten Beispiel erzeugt ECU 72 ein Befehlssignal für den Brennstoffzellenstapel 20, um in einem „Wasserstoffpumpmodus“ zu arbeiten, bis bestimmt wird, dass der Brennstoffzellenstapel bei einem vorbestimmten Schwellenwert für eine Brennstoffzellenstapel-Spannungsausgabefähigkeit arbeitet. Beim Betrieb im Wasserstoffpumpmodus oxidiert MEA 38 feuchten Wasserstoff in der Anodenkatalysatorschicht 32, transportiert Protonen über die protonenleitende Perfluorsulfonsäuremembran 28 und regeneriert Wasserstoff auf der Kathodenseite 26 von PEMFC 22 durch eine Wasserstoff-Entwicklungsreaktion. Eine Wasserstoff-Entwicklungsreaktion kann als Erzeugung von Wasserstoff (H₂) durch eine Reduktion des Protonenprozesses typisiert werden. Die Entwicklung von Wasserstoff beruht im Allgemeinen auf der Desorption von Molekülen, die von der Kathodenoberfläche stammen. In einer Wasserstoff-Entwicklungsreaktion (HER - Hydrogen Evolution Reaction), z. B. mit einem sauren Elektrolyten, entwickelt sich Wasserstoff aus der Reaktion 2H⁺ + 2e → H2(g). ECU 72 kann dann ein Befehlssignal aussenden, das entwickelten Wasserstoff und flüssiges H₂O von der Kathodenseite 26 durch die Fluidauslassleitung oder den Verteiler 56 zu einem Wasserabscheider 78 (1) leitet, wo Wasserstoff und Wasser von der Kathode mit abgereichertem Wasserstoff kombiniert werden, der von der Anodenseite 24 durch die Fluidauslassleitung 50 ausgestoßen wird. ECU 72 kann dann diesem Wasserabscheider 78 befehlen, Wasserstoff von Wasser zu trennen und den abgeschiedenen Wasserstoff zurück zum Anodenfluideinlass zurückzuführen.
Offenbarte Einfahrverfahren weisen zahlreiche Funktionen und Vorteile auf, einschließlich einzeln und in jeder Kombination: diese helfen dabei, restliche Verunreinigungen zu entfernen, die während der Fertigung der MEA und des Brennstoffzellenstapels anfallen, diese tragen dazu bei, Katalysatormetallreaktionsstellen zu aktivieren, die ansonsten nicht an der Reaktion teilnehmen können, diese tragen dazu bei, Leitungswege der Reaktanten zu den Katalysatoren sicherzustellen und/oder diese trage dazu bei, einen Protonenübertragungsweg sicherzustellen, indem der in der Elektrolytmembran und den Elektroden enthaltene Elektrolyt ausreichend hydratisiert wird. Die offenbarte Inkubation und das Einfahren einer Brennstoffzelle können auch Folgendes unterstützen: Beschleunigung der Katalysatorreaktionskinetik, Verbessern der Hydratation der Membran, Verbessern der Bildung der elektrischen Kontaktoberfläche und Bildung der Dreifachphasengrenzflächen. Eine Membranhydratation unterstützt die Verbesserung der Leitfähigkeit von Protonen, in denen Wassermoleküle in den Poren der Membran vorhanden sind, was wiederum den Wasserstoffionentransfer erleichtert. Die Bildung der elektrischen Kontaktfläche unterstützt eine Reduzierung des elektrischen Übergangswiderstandes. Die Dreiphasengrenzflächenbildung unterstützt die Beschleunigung der elektrochemischen Reaktion in jeder einzelnen Brennstoffzelle.
4A und 4B vergleichen die konditionierenden Effekte eines herkömmlichen Einfahrverfahrens unter Verwendung von Wasserstoff (Anode) und Luft (Kathode) unter Lastzyklusbedingungen, ausgewiesen bei 201A in 4A und 201B in FIG. 4B und einem repräsentativen Einfahrverfahr gemäß dieser Offenbarung unter Verwendung von befeuchtetem H₂ (Anode) und de-ionisiertem Wasser (Kathode) mit Wasserstoffpumpen und Lastwechsel, ausgewiesen bei 203A in 4A und 203B in 4B. In diesem repräsentativen Beispiel wird das Pumpen von H₂ für ungefähr 4 Stunden durchgeführt, während die Lastzykluszeit ungefähr 55 Minuten beträgt. Dieser Vergleich hilft zu zeigen, dass das offenbarte Einfahrverfahr ungefähr denselben Leistungsgewinn wie herkömmliche Konditionierungsverfahren bei wesentlich niedrigeren Kosten, z. B. mit wenig oder keinem Netto-Wasserstoffverbrauch, niedriger Zellenbetriebstemperatur und relativ niedriger Gesamtspannungs- und Gesamtstromanforderungen bietet.
5 zeigt den Einfluss der Kathoden-CVs (CV - Cyclic Voltammetry) (bis zu 1,2 V) zwischen dem H₂-Pumpen beim Einfahren von Brennstoffzellen. In diesem Beispiel wird ein herkömmliches Einfahren mit Lastzyklen N=1 bei 301 gezeigt, ein Einfahrverfahr mit H₂-Pumpen N=3 wird bei 303 gezeigt, ein Einfahrverfahr mit H₂-Pumpen und eine zyklische Voltammetrie (CV - Cyclic Voltammetry) der Kathode wird mit N=1 bei 305 gezeigt und ein Einfahrverfahren mit H2-Pumpen und zyklischer Voltammetrie der Kathode bei 80 °C mit N=1 wird bei 307 gezeigt. 6 zeigt Beispiele eines repräsentativen Einfahrfortschrittes für einen Wasserstoffpumpvorgang bei unterschiedlichen Strömen pro cm² (A/cm2) mit einem N₂-Strom an der Kathode. Zum Beispiel wird der Einfahrfortschritt mit einem H₂-Pumpen bei 80 °C mit einem N₂-Fluss in der Kathode für eine niedrige Stromdichte bei 401 gezeigt, und der Einfahrfortschritt mit einem H₂-Pumpen bei 80 °C mit einem N₂-Fluss an der Kathode wird für eine hohe Stromdichte bei 402 gezeigt. Sowohl 401 als auch 402 überlagern ein entsprechendes herkömmliches Einfahrverfahr ohne H₂-Pumpen. Bei t=0 erfolgt kein Einfahren.
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Programm von Anweisungen implementiert werden, wie zum Beispiel Programmmodulen, die allgemein als Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet werden, die von einem Onboard-Computer ausgeführt werden. Die Software kann in nicht einschränkenden Beispielen Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen enthalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, damit ein Computer entsprechend einer Eingabequelle reagieren kann. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um eine Vielzahl von Aufgaben in Reaktion auf Daten zu initiieren, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden. Die Software kann auf einem beliebigen einer Vielzahl von Speichermedien, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM), gespeichert sein.
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzkonfigurationen einschließlich Mehrprozessorsystemen, Mikroprozessor-basierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Mainframe-Computern und dergleichen durchgeführt werden. Zusätzlich können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung ausgeführt werden, bei denen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind. In einer verteilten Computerumgebung können Programmmodule sowohl auf lokalen als auch entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten angeordnet sein. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung enthalten durch: (a) einen Prozessor, (b) eine Steuerung und/oder (c) jede andere geeignete Verarbeitungsvorrichtung. Jeder hierin offenbarte Algorithmus, jede Software oder jedes Verfahren kann in einer Software enthalten sein, die auf einem greifbaren Medium, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder andere Speichervorrichtungen, gespeichert ist, jedoch werden Fachleute leicht erkennen, dass der gesamte Algorithmus und/oder Teile davon alternativ durch eine andere Vorrichtung als eine Steuerung ausgeführt werden können und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer gut bekannten Weise implementiert werden können (z. B. kann er durch einen anwendungsspezifischen integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), eine diskrete Logik usw. implementiert werden). Obwohl spezielle Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, wird der Durchschnittsfachmann leicht erkennen, dass viele andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen alternativ verwendet werden können. Zum Beispiel kann die Reihenfolge der Ausführung der Blöcke geändert werden und/oder einige der beschriebenen Blöcke können geändert, eliminiert oder kombiniert werden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen festgelegt. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.

Claims

Einfahrverfahren zum Konditionieren einer Membrananordnung eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Membrananordnung eine protonenleitende Membran, eine Anode mit einem Anodenfluideinlass und eine Kathode mit einem Kathodenfluideinlass umfasst, das Verfahren umfassend: das Anweisen der Leitung von befeuchtetem Wasserstoff zu dem Anodenfluideinlass; das Anweisen der Leitung von de-ionisiertem Wasser zu dem Kathodenfluideinlass; das Anweisen des Anlegens eines elektrischen Stroms über den Brennstoffzellenstapel; und das Anweisen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels in einem Wasserstoffpumpmodus, wobei die Membrananordnung Wasserstoff an der Anode zum Erzeugen von Protonen oxidiert, Protonen über die protonenleitende Membran zur Kathode zu transportieren und Protonen zu regenerieren, um Wasserstoff zu bilden, bis bestimmt wird, dass der Brennstoffzellenstapel bei einem vorbestimmten Schwellenwert für eine Brennstoffzellenstapel-Spannungsausgabefähigkeit arbeitet.
Einfahrverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Anweisen des Anlegens eines Spannungszyklus an den Brennstoffzellenstapel in einem Bereich zwischen einem vorbestimmten niedrigen Potenzial und einem vorbestimmten hohen Potenzial.
Einfahrverfahren nach Anspruch 2, worin die Befehlsausgabe für den Spannungszyklus die Befehlsausgabe einer vorbestimmten endlichen Anzahl der Spannungszyklen beinhaltet.
Einfahrverfahren nach Anspruch 3, worin das vorbestimmte niedrige Potential ungefähr 0,1 V beträgt, das vorbestimmte hohe Potential ungefähr 0,9 V beträgt und die vorbestimmte endliche Anzahl der Spannungszyklen ungefähr 10 bis 50 Zyklen beträgt.
Einfahrverfahren nach Anspruch 2, worin ein Gesamtstrom des über den Brennstoffzellenstapel angelegten elektrischen Stroms kleiner oder gleich ungefähr 80 A ist, und wobei eine Gesamtspannung der an den Brennstoffzellenstapel angelegten Spannung kleiner als oder gleich ungefähr 50 V ist.
Einfahrverfahren nach Anspruch 1, worin die Befehlsausgabe des elektrischen Stroms über den Brennstoffzellenstapel das Anlegen eines positiven Stroms über jede Zelle in dem Brennstoffzellenstapel in einem Bereich von ungefähr 0,05 bis 1,5 A/cm² beinhaltet.
Einfahrverfahren nach Anspruch 1, worin der im Wasserstoffpumpmodus arbeitende Brennstoffzellenstapel weiterhin an der Anode oxidierten Wasserstoff beinhaltet, der an der Kathode durch eine Wasserstoffentwicklungsreaktion regeneriert wird.
Einfahrverfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend den Transport von Wasserstoff und Wasser von der Kathode zu einem Wasserabscheider, wobei der Wasserstoff und das Wasser von der Kathode mit dem von der Anode abgegebenen abgereicherten Wasserstoff kombiniert werden.
Einfahrverfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend das Anweisen des Wasserabscheiders, Wasserstoff von Wasser zu trennen und den abgetrennten Wasserstoff zu dem Anodenfluideinlass zu leiten.
Einfahrverfahren nach Anspruch 1, worin der Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur von ungefähr 70-80 °F im Wasserstoffpumpmodus betrieben wird.